Sistemul de Manipulare Robotizat

Capitolul 1. Introducere

Tema lucrării constă în proiectarea, construcția și asamblarea unui sistem de manipulare de tip braț robotizat, cu șase grade de libertate controlat prin intermediul calculatorului.

Acest tip de sisteme de manipulare sunt folosite pentru manevrarea cu precizie ridicată a ustensilelor de lucru (în mediul industrial cât și în medicină) sau pentru a executa operații de ridicare și plasare în medii periculoase pentru om.

1.1 Istoric

1.1.1 Robot

Noțiunea de robot a avut la bază apariția primelor modele de mașini „automate”, cuvânt provenit din grecescul automatos ce are înțelesul de a se mișca singur, însă termenul robot a fost utilizat prima dată de frații Josef si Karel Čapek într-o lucrare S.F. la începutul secolului 20.

Un robot este un dispozitiv mecanic automat care seamănă adesea cu un om sau animal. Roboții moderni reprezintă mașini electro-mecanice ghidate de un program de calculator sau de circuite electronice cu ajutorul microprocesoarelor. Roboții pot fi autonomi sau semi-autonomi și variază de la umanoizi, cum este Honda ASIMO și Tosy TOPIO (robotul care joaca ping-pong), până la roboți industriali de dimensiuni reduse (nano roboți)”.

Știința sau mai bine zis ramura de tehnologie care se ocupă cu proiectarea, construirea, operarea roboților cât și de sistemele de control, de interpretare a senzorilor cat si de prelucrarea informațiilor obținute de aceștia se numește robotică. Aceste tehnologii au făcut posibil lucrul mașinilor automate in locuri periculoase pentru oameni, fig.1.1, au implementat automate pe liniile de asamblare pentru a reduce costurile de producție, sau chiar au readus aspectul uman oamenilor care au suferit diferite accidente. Există îngrijorări cu privire la utilizarea tot mai mare de roboți și față de rolul lor în societate. Roboți sunt blamați pentru creșterea șomajului, deoarece multe sarcini ale lucrătorilor au fost rezolvate prin instalarea de roboți pe liniile de producție. Deși pare ciudat, la procesul de fabricare al unui robot industrial procentul de forța de muncă umană este foarte scăzut, mai exact in jur de 5%. Domeniile de utilizarea ale roboților sunt vaste, utilitatea si capacitatea lor se dovedește a fi de neînlocuit in domeniul militar, securitate, aero-spațial sau chiar medical.

1.1.2 Robotul mobil

Odată cu vizitarea spațiului cosmic s-a născut si nevoia de a se crea un vehicul autonom capabil sa pătrundă in locuri greu accesibile astronauților, și astfel a apărut robotul mobil.

Robotul mobil are capacitatea de a se deplasa în mediul său fără a fi fixat într-o singura locație. Un exemplu de robot mobil care este utilizat astăzi este vehiculul ghidat automat sau AVG, care se ghidează după urmele trasate anterior pe diferite suprafețe cu ajutorul camerelor si a laserelor.

1.1.3 Robotul industrial

Nevoia de a reduce costurile producției si de a mării viteza de producție a dus la crearea de roboți industriali.

Robotul industrial, fig.1.2, sau manipulator este compus din articulații și partea de prindere sau apucare. Cea mai frecvent întâlnită parte de apucare este gripper-ul sau cleștele.

Denumirea si definiția de robot industrial a fost introdusă în documentul de standardizare ISO 8373 de către Organizația Internațională de Standardizare, definiția fiind: „un manipulator comandat, multifuncțional, reprogramabil, cu trei sau mai multe axe, fix sau mobil, ce se poate folosi in aplicații de automatizare industriale.

1.2 Manipulator robotizat

Primul patent al unui manipulator robotizat a fost al George Devol, care în anul 1954 a solicitat brevetul pentru „Programmed Article Transfer” sau „Manipulator programat”. Acest brevet a lansat conceptul de „Universal Automation” sau prescurtat „Unimation”.

După obținerea patentului în anul 1961, munca lui Devol s-a axat pe dezvoltarea roboților astfel ca a fost primul care a obținut patentele pentru senzorii tactili si vizuali ai roboților si a dus la dezvoltarea Micro-roboților.

În anul 2005 invenția Unimation a lui Devol este nominalizată printre cele mai importante 50 de invenții din ultimii 50 de ani „Top 50 Inventions of the Past 50 Years”.

1.2.1 Brațul robotizat sau brațul robotic

Un braț robotic este un tip de braț mecanic, programabil sau controlabil de la distanța menit să îndeplinească funcții asemănătoare cu cele ale unui braț uman. Brațul poate reprezenta ansamblul total al mecanismelor sau poate face parte dintr-un robot mai complex. Un astfel de manipulator are aproape toate articulațiile mecanizate pentru a permite rotația sau translația. Partea terminala a unui astfel de ansamblu se numește „the end effector” sau capăt de prindere și este similar cu mâna umană. Capătul de prindere, sau mâna robotică, poate fi proiectat pentru a efectua orice sarcină dorită, cum ar fi sudura, prindere, filare, etc., în funcție de aplicație. De exemplu, cei mai întâlniți astfel de roboți sunt cei de pe liniile de asamblare, unde trebuie sa rotească, să sudeze, să ridice, să plaseze, etc.. O altă utilizare interesanta face parte din domeniul militar, unde roboți cu capete de prindere asemănătoare cu mâna umana sunt necesari pentru dezamorsarea bombelor.

În spațiul cosmic este de asemenea utilizat un astfel de braț sub numele de „Space Shuttle Remote Manipulator System a.k.a. Canadarm”, fig. 1.3, și este unul dintre cel mai complex braț, fiind capabil sa îndeplinească sarcini foarte complexe cum este instalarea sau deschiderea panourilor fotovoltaice instalate pe sateliți, înlocuirea acestora in caz de defectare, inspecția generala a satelitului sau asistarea astronauților la deplasarea pe lângă satelit.

1.2.2 Tipuri de brațe robotizate

Robotul Cartezian, fig.1.4, sau robotul liniar, este un robot industrial, capabil sa ridice obiecte, să aplice substanțe toxice, să sudeze, etc., care are trei axe principale de control ce se mișca liniar în loc sa se rotească. Acest tip este ușor de programat datorita numărului limitat de grade de libertate DOF. O aplicație populară pentru acest tip de robot este un calculator mașină cu comandă numerică (CNC). Cea mai simplă aplicație este cea de desenat sau frezat pe diferite suprafețe cât mai precis.

Robotul Cilindric, fig.1.5, folosit la asamblare, sudare, sudare în puncte, manipulare matrițe, etc.. Este un robot, ale cărui axe formează un sistem de coordonate cilindric.

Robot Sferic sau Polar, fig.1.6, este un robot ale cărui axe formează un sistem de coordonate polar. Adesea utilizat industrial, in diferite activități de sudare, filetare, găurire, asamblare. Primul robot creat a fost Unimation in anul 1961 de catre George Dovel.

Robotul SCARA sau Selective Compliance Articulated Robot ARM, inventat in 1981 de către Sankyo Seiki, fondator al companiei NEC, reprezintă un nou concept de robot. Acest robot are brațul rigid pe axa Z, si mobil pe axele XY, fapt ce îi permite să se miște foarte bine pe axele XY.

Robotul Paralel, este un sistem mecanic ce folosește mai multe elemente controlate de computer, el poate manipula o platforma sau un capăt de prindere. Cea mai cunoscută aplicație este manipulatorul paralel format din șase actuatoare liniare care susțin o platformă mobilă, aplicație des folosita în simulatoarele de zbor. Acest dispozitiv poartă numele inginerilor ce au creat aceasta platforma, fig.1.8 (Gough-Stewart).

Robotul Anthromorphic sau Android, este un robot cu forma sa corporală construit să semene cu cea a corpului uman. Un design umanoid ar putea fi în scopuri funcționale, cum ar fi interacțiunea cu instrumente umane și medii, în scopuri experimentale, cum ar fi studiul de locomoție biped, sau pentru alte scopuri. Cercetătorii trebuie sa înțeleagă structura corpului uman și comportament (biomecanica) pentru a construi astfel de roboți umanoizi. Deși obiectivul inițial de cercetare umanoid a fost de a construi o mai bună orteză și proteză pentru oameni, fig.1.9, cunoaștere a fost transferată între cele două discipline.

În afară de cercetare, roboti umanoizi sunt în curs de dezvoltate pentru a efectua sarcini umane, cum ar fi asistența personală, în cazul în care acestea ar trebui să îi îngrijească pe cei bolnavi sau în vârstă, precum și slujbele murdare sau periculoase. Roboții umanoizi au devenit populari și în divertisment, spre exemplu la studiourile Universal Studios se afla Ursula, fig.1.10, un umanoid de sex feminin care cântă, dansează sau chiar vorbește cu publicul ei. În general, roboți umanoizi au un tors, un cap, două brațe și două picioare, cu toate că unele forme de roboți umanoizi pot modela doar o parte a corpului, de exemplu, de la talie în sus. Unii roboti umanoizi pot avea, de asemenea, capete concepute pentru a reproduce caracteristicile faciale umane, cum ar fi ochii și gura. Androizii sunt roboți umanoizi construiți să semene din punct de vedere estetic cu un om. Roboți umanoizi, sunt o noua rasă de roboți care evoluează rapid, și sunt diferiți de obicei de roboți industriali convenționali. Unii umanoizi chiar prezintă piele artificială, vopsiți în culoarea pielii iar expresiile faciale sunt acționate cu ajutorul unor măști complicate și sunt extrem de plini de viață.

A doua caracteristică distinctivă constă în metodele de acționare. În scopul de a-și executa exercitiile în mod antropomorfic, un umanoid trebuie să aibă suficient de multe grade de libertate dinamice pentru a executa cele mai multe dintre acțiunile umane; Doar pentru brațe este nevoie de 6 grade de libertate de la umăr până la încheietură pentru a permite miscări asemănătoare omului, iar pentru palmă de la 5 la 24 grade de libertate în funcție de complexitatea mișcării care se execută. Astfel redundanța în membrele unui umanoid este esențială în reproducerea cât mai fidel, lin și flexibil mișcările unui om. Pentru finețe și acțiuni pline de viață, aceste încheieturi trebuie să fi acționate cu un cuplu suficient.

În cele din urmă, umanoizi sunt roboți care sunt concepuți să îndeplinească sarcini sociale și interactive. De multe ori, dacă nu întotdeauna, împart spațiul lor de lucru cu operatorii umani și/sau cu alți roboți. Lucrând într-un mediu imprevizibil, umanoizi trebuie să se aștepte să interacționeze cu un coleg necunoscut și trebuie să reacționeze la evenimente și la îndeplinirea sarcinilor în condiții de siguranță în orice moment.

Robotul Articulat, fig.1.11, este cel mai des întâlnit în industrie datorită gradelor de libertate numeroase. Folosit in foarte multe aplicații, de la industriale pana la cele educative, robotul articulat este in continuă dezvoltare și nu încetează să ne uimească cu capacitățile sale.

Robotul educativ/didactic lansat in iulie 2006 de către LEGO sub denumirea de Mindstorms NXT, oferă posibilitatea copiilor cat si adulților de a se distra sau învăța cu ajutorul roboților.

1.2.2 Stadiul actual de utilizare al roboților

În fabrici din întreaga lume, roboții efectueaza ”fapte eroice” de manipulare zilnic. Ei ridica obiecte masive, cu o viteză uluitoarea, și repeta operațiuni complexe cu o precizie incredibilă. Cu toate acestea, orice robot atent controlat, chiar și cel mai sofisticat robotul ar putea să-ți aduc un pahar cu apă fără să verse o picătură.

Deja existente pe piață, jucării robotizate, fig.1.12, și aspiratoare automatizate populează locuințele noastre, sau chiar autovehicule robotizate s-au întrecut prin deșert. Aceste succese par a prefigura o explozie de aplicații robotizate in viața de zi cu zi, însă fară o manipulare robotizată avansată multe aplicații promițătoare nu vor putea fi realizate. Mulți oameni doresc interacțiunea cu roboții indiferent că este vorba de locul de muncă sau domiciliu. În țările dezvoltate ale Asiei, cel puțin, a împărți viața de zi cu zi cu un robot e din ce în ce mai puțin bizar și din ce în ce mai larg acceptat. Beneficiarii acestor progrese sunt mai ales oamenii vârstnici, singuri și cu probleme de sănătate sau persoanele cu diferite dizabilități. De foarte mult timp omenirea și-a imaginat lucrul cot la cot cu roboții și iată că astăzi în numeroase uzine auto si nu numai aceștia sunt prezenți împărțind sarcinile cu oamenii.

Până în prezent, roboții s-au bucurat de un foarte mare succes la manipulare în medii de simulare controlate cum ar fi o fabrică. În afara mediilor controlate, roboții au efectuat sarcini sofisticate de manipulare numai asistați de un om.

1.2.2.1 Simulare

În simulare, roboții au efectuat sofisticate sarcini de manipulare, cum ar fi prinderea de obiecte complicate, legarea de noduri, fig.1.13, și transportarea obiectelor ocolind obstacole. Algoritmii de control pentru aceste demonstrații implică adesea algoritmi de căutare pentru a găsi soluții satisfăcătoare, cum ar fi o cale cât mai scurtă, sau un set de puncte de contact care maximizează calitatea prinderii. De exemplu, mulți roboți folosesc algoritmi de planificare care caută rapid căi prin spațiu care modelează cinematica și dinamica lumii. Cele mai multe dintre aceste simulări cu algoritmi ignora sistemele senzoriale ale robotului și presupun că dimensiunea spațiului este cunoscut cu certitudine. De exemplu, algoritmul presupune adesea că robotul cunoaște tridimensional (3D) structura obiectelor pe care le manipulează.

1.2.2.2 Medii controlate

În medii controlate, lumea poate fi adaptat pentru a se potrivi capacitățile robotului. De exemplu, într-o fabrică tradițională inginerii se pot asigura că un robot cunoaște starea relevantă a lumii cu 95% certitudine. Robotul de obicei trebuie să îndeplinească câteva sarcini folosind câteva obiecte cunoscute, iar accesul oamenilor este de obicei interzis în zonă în timpul manevrelor robotului. În cazul în care un robot trebuie să simtă lumea, inginerii pot face mediul favorabil pentru detectarea de factori, cum ar fi iluminatul sau plasarea obiectelor în raport cu un senzor de control. Mai mult decât atât, deoarece obiectele și sarcinile sunt cunoscute în prealabil, percepția poate fi bazată pe un model. Uzinele nu sunt singurele medii controlate în care roboții efectua acțiuni impresionante de manipulare.

Cercetatorii simplifica de multe ori mediile în care se testează roboți pentru a se concentra asupra problemelor de interes. Până în prezent, demonstrațiile de succes cu roboți care efectuează în mod autonom sarcini complicate de manipulare au la baza o combinație de obiecte cunoscute, obiecte simplificate, medii ordonate, markeri de reper sau controlere.

Unii experți și academicieni au pus la îndoială utilizarea de roboți în lupte militare, în special atunci când astfel de roboți au un anumit grad de funcții autonome. Sunt de asemenea îndoieli când vine vorba despre roboți armați care sunt din ce in ce mai complecși si pot lua decizii autonome. Armata americană „US Navy” a dezvoltat un robot EATR, autonom, care se autoalimentează cu substanțe organice găsite pe câmpul de luptă cât si cu biomasa provenită din uleiuri sau grăsimi; practic, un astfel de robot cu o defecțiune la sistemul de comandă nu poate fi oprit decât prin distrugerea lor.