Spatiul de Lucru Si Singularitatile Robotilor Paraleli Reconfigurabili

CUPRINS

1.Introducere

2.Tipuri de configuratii ale robotilor industriali

3.Roboti paraleli

4.Sisteme cu structura reconfigurabila

5.Roboti paraleli cu structura reconfigurabila

5.1 Structura mecanismului parallel

5.2 Constructia mecanismelor paralele

5.3 Actionarea mecanismelor paralele:

5.3 Actionarea mecanismelor paralele:

5.3.1 Acționarea pneumatică:

5.3.2. Acționarea hidraulică

1.Introducere

Un robot este un dispozitiv mecanic, capabil sa imite anumite functii umane, precum cele de manipulare a obiectelor sau de locomotie in scopul substituirii actiunii umane, pentru realizarea unor anumite sarcini. Sarcina robotului este mai mult sau mai putin autonoma, conform posibilitatilor de perceptie a mediului inconjurator. In prezent, robotul poate fi definit ca un sistem cu functionare automata, adaptabila prin reprogramare conditiilor mediului complex si variabil in care actioneaza, amplificand sau inlocuind una sau mai multe dintre functiile umane in actiunea sa asupra mediului.
Robotul modern este un sistem complex, programabil cu ajutorul calculatorului, echipat cu microprocesoare, senzori, sisteme de actionare, structuri mecanice, care are capacitate de actiune, de percepere, de decizie si de comunicare.
Manipulatoarele si robotii prezinta particularitati deosebite din punct de vedere al structurii mecanice si al sistemului de comanda. Astfel, un robot dispune de o ierarhie de niveluri de comanda.
Functie de numarul nivelurilor ierarhice, de complexitatea sistemelor de comanda, robotii apartin unei anumite generatii de roboti.
Pentru realizarea sarcinilor sale (actiuni asupra mediului, perceptie, comunicare, decizie), structura unui robot inteligent este alcatuita din mai multe subsisteme.

Din punct de vedere al structurii mecanice, robotii pot fi: seriali (lant cinematic deschis, toate cuplele cinematice sunt active), paraleli (lant cinematic inchis) sau structura mixta. Majoritatea robotilor au structura seriala. Fiecare cupla cinematica a structurii mecanice este actionata de catre un motor, individual. O cupla cinematica prevazuta cu motor si comandata individual se numeste cupla cinematica conducatoare. Astfel, lantul cinematic al structurii mecanice a unui robot are numai cuple cinematice conducatoare. Cuplele cinematice ale structurii mecanice a unui robot introduc o singura coordonata generalizata.
Capacitatea de miscare in spatiu a unui robot este descrisa de numarul gradelor de mobilitate sau de libertate. Numarul gradelor de libertate este dat de numarul maxim al deplasarilor posibile ale efectorului fara a include miscarea specifica, determinata de sarcina robotului, a efectorului final (prehensiunea pentru manipulatoare, avansul sarmei electrod pentru sudare, etc). Deoarece structura mecanica a unui robot contine doar cuple motoare de clasa a V-a, numarul gradelor de libertate este egal cu numarul cuplelor cinematice (cazul unui robot neredundant).
Locul geometric al pozitiilor spatiale pe care le poate ocupa punctul caracteristic in timpul actiunii robotului asupra mediului reprezinta volumul (domeniul) accesibil al spatiului de lucru al robotului.

Tipuri de configuratii ale robotilor industriali

Robot cartezian: bratul robotului opereaza intr-un spatiu definit de coordonate carteziene, structura mecanica a robotului are trei cuple de translatie, care coincid cu axele sistemului cartezian; robotul cartezian a fost gandit pentru operatii de sudare, dar este folosit si pentru asamblare.

Robot cilindric: bratul robotului opereaza intr-un spatiu definit de coordonate cilindrice; robotul este definit de o baza si de o coloana care se roteste; robotul a fost conceput pentru manevrarea sculelor in cadrul unui proces tehnologic si pentru asamblare.

Robot sferic (si polar, ca un caz particular): bratul robotului opereaza intr-un spatiu definit de coordonate sferice (sau polare); robotul consta intr-o baza care se roteste, un pivot de ridicare si un ax telescopic.

Robot articulat: este un manipulator care are un brat articulat; structura mecanica a robotului prezinta cel putin trei cuple cinematice de rotatie; robotul articulat seamana bratului uman, acesta se poate roti relativ la baza (shoulder joint); luand in considerare si celelalte doua articulatii elbow si wrist, un robot articulat poate avea sase grade de libertate. Robotul articulat este utilizat pentru sudare si vopsire.

Roboti in alte tipuri de coordonate definiti in mod corespunzator: robotul Gantry; robotul SCARA are doua cuple cinematice de rotatie cu axele paralele.

Roboti paraleli:

Mecanismele paralele au structura formata, in principal, din doua platforme (una fixa si una mobila) conectate intre ele prin intermediul mai multor lanturi cinematice. Un robot paralel este de fapt un mecanism bazat pe un lant cinematic inchis, a carui platforma mobila este conectata cu baza prin cel putin doua lanturi cinematice seriale. Robotul paralel poate fi definit ca un lant cinematic inchis, constituit dintr-un element condus, cu n grade de libertate si un element fix, cele doua elemente fiind legate prin lanturi cinematice independente 

Aplicatiile acestor roboti rezulta din pozitionarea precisa a diferitelor dispozitive datorita miscarilor foarte fine asigurate de mecanismele lant cinematic inchis.
Structura mecanica complicata limiteaza insa miscarile platformei si creaza singularitati cinematice in spatiul de lucru al platformei mobile. Astfel, proiectarea, planificarea traiectoriilor si dezvoltarea aplicatiilor robotilor paraleli sunt dificile. Pentru compensarea acestui dezavantaj se recomanda utilizarea conceptului de proiectare modulara.
Un sistem robotic modular consta intr-o multime de module proiectate independent, precum: motoare, cuple pasive, elemente rigide, platforme mobile, elemente efectoare care pot fi asamblate rapid.

Roboții paraleli pot fi definiți ca mecanisme cu lanțuri cinematice închise formate dintr-un organ terminal cu n grade de libertate dispus pe o platformă mobilă ce se leagă de o platformă fixă prin n lanțuri cinematice independente.

Utilizarea mecanismelor paralele are urmatoarele avantaje:

-un raport foarte bun masă manipulata / masa robot, grație structurii sale fiecare motor suportand 1/n din masa manipulata, unde n reprezinta numarul lanturilor cinematice independente,

-masele mici în mișcare asigura o buna comportare dinamica ceea ce asigura viteze și accelerații mari (max. 6m/s respectiv 22g),

-modelul geometric simplu asigură o conducere ușoară,

– precizie pozițională deosebită (0.010-0.005).

Dezavantajele sunt:

-volumul de lucru redus comparativ cu cel al roboților seriali,

-utilizarea unor articulații superioare cu mai multe probleme tehnologice.

Sisteme cu structura reconfigurabila :

Dezvoltarea sistemelor de fabricatie a cunoscut in ultima perioda modificari substantiale, acestea rezultand ca o consecinta a schimbarilor produse in dinamica atat a consumului cat si a fortei de munca la nivel mondial. Ca o consecinta, acest proces de globalizarea a fortat companiile sa caute solutii pentru o productie flexibila care sa asigure produse de calitate, vandabile la preturi accesibile si personalizate – in sensul in care acestea pot raspunde unor cerinte exprese ale clientilor.

Sistemul de fabricatie inteligent cu structura reconfigurabila este solutia gasita de companii pentru a rezolva contrangerile impuse de procesul de globalizare. Sistemul de fabricatie inteligent este definit ca fiind sistemul de fabricatie care are in structura un numar minim de instalatii automate (roboti, instalatii de alimentare / evacuare, etc) astfel incat acesta sa poata produce in conformitate cu cerintele pietei si in conformitate cu principiul ‘plug and produce’. Rezulta deci ca instalatiile automate trebuie sa fie concepute modular si reconfigurabil astfel incat sa poata fi dezasamblate dintr-o anumita locatie si reasamblate intr-o cu totul alta configuratie intr-un timp minim, daca cererea pietei justifica o asemenea operatie. Un asemenea fenomen este deosebit de evident in Romania in aceasta perioada, daca se are in vedere ca firme din Europa de Vest “se muta” pur si simplu in Romania intr-un timp record.

O componenta deosebit de importanta a instalatiilor automate care trebuie sa fie concepute modular si reconfigurabil este reprezentata de roboti. Robotii paraleli au, in raport cu cei seriali, pe langa avantajele de natura

cinematica si dinamica [8], [10], [13] si avantajul ca pot efectua atat sarcini de manipulare si asamablare cat si sarcini specific masinilor unelte

Roboti paraleli cu structura reconfigurabila :

Robotii mobili reconfigurabili sunt utili deoarece se pot adapta cu usurinta la natura terenului pe pe care se deplaseaza

Spatiul de lucru (forma, dimensiunile geometrice, existenta si pozitia singularitatilor etc) reprezinta un parametru foarte important al unui robot. Pentru robotii clasici exista algoritmi care permit determinarea spatiului de lucru si a altor caracteristici ale acestuia. Daca ipoteza unor modificari topologice “on line” este luata in considerare problemele se schimba in sensul ca spatiul de lucru trebuie definit nu pentru un robot ci pentru mai multe variante de roboti iar din aceasta schimbare rezulta foarte multe probleme cum ar fi de exemplu faptul ca sistemul de ecuatii / inecuatii care rezulta isi poate schimba gradul. Astfel, la trecerea de la 5 grade de mobilitate la 4 grade de mobilitate, sistemul se transforma (in sensul simplificarii) de la 30 de ecuatii la 24 de ecuatii.

Robotii paraleli ce urmeaza a fi dezvoltati vizeaza domeniul masinilor unelte cu topologie paralela reconfigurabila. In domeniul masinilor unelte, in general, precizia este deosebit de importanta. Datorita reconfigurabilitatii, in cazul robotilor paraleli devine imperios necesar sa fie efectuata calibrarea lor. Din pacate nici problema calibrarii nu este rezolvata pana la acest moment. Dificultatea dezvoltarii unor algoritmi de calibrare consta in faptul ca robotii paraleli contin multe elemente pasive, mai ales cuple pasive, iar parametrii geometrici si functionali ai acestora sunt dificil de masurat si implementat intr-un algoritm coherent

a) Robot paralel cu 5 gdl; b) Robot paralel cu 6 grade de libertate

Pentru a exemplifica se considera robotul paralel cu trei grade de mobilitate, avand o singura platforma mobila si trei lanturi identice care conecteaza acesta platforma cu cea fixa (Fig.2). Consideram ca cele trei lanturi identice au structura PSU, unde P semnifica articulatie prismatica (1 dof), S semnifica articulatie sferica (3 dof) si U semnifica articulatie universala (2 dof). Daca se noteaza cu m1 numarul gradelor de mobilitate ale articulatiei inteligente din punctul A1 (figura 2a) si cu m2 numarul gradelor de mobilitate ale articulatiei virtuale din B1 (figura 2a) pot rezulta urmatoarele variante de roboti paraleli: 1) figura 2a1 : robot paralel cu 3 dof, platforma mobila executand NUMAI miscari de translatie (fapt deosebit de util in cazul masinilor unelte); 2) figura 2a2: robot paralel cu 3 dof, platforma mobila executand miscari generale, varianta care se preteaza operatiilor de manipulare. De remarcat ca cele doua variante sunt diferite cinematic si dinamic si de asemnea ca trecerea de la o varianta la alta este posibila daca la nivelul articulatiilor virtuale din punctele A 1, A2, A3 si respectiv B1, B2, B3 gardele de mobilitate se modifica. De exemplu, pentru trecerea de la varianta (a1) la varianta (a2) este necesara blocarea unei rotatii la nivelul cuplelor din punctele B1, B2, B3 si deblocarea unei rotatii la nivelul cuplelor din punctele A1, A2, A3.

Arhitectura mecanica a robotilor paraleli, se prezinta din punct de vedere structural sub forma lanturilor cinematice închise, este formata din una sau mai multe platforme mobile conectate la platforma fixa sau între ele prin intermediul unor lanturi cinematice cu structura diversa.
        Gradul de mobilitate al mecanismelor paralele se poate calcula cu relatia:
                                              
        unde:
n – reprezinta numarul elementelor mobile;
Ci – reprezinta numarul cuplelor de clasa „i”;
Lp – reprezinta numarul gradelor de mobilitate de prisos.
        Rezolvarea ecuatiei:
                                                                                  
în multimea numerelor întregi permite evidentierea tuturor variantelor de mecanisme paralele de tipul STK.
        Rezolvarea ecuatiei:
                                                                              
în multimea numerelor întregi permite evidentierea tuturor variantelor de mecanisme paralele de tipul STR.
        Ecuatiile matriciale:
                                                                                                                                            
sunt utilizate atat pentru rezolvarea problemelor directe cat si inverse.
        Au fost evidentiate diverse variante de roboti paraleli cu aplicatii in domeniul masinilor unelte cu topologie paralela. Modele virtuale aferente acestor variante sunt prezentate in cele ce urmeaza (Fig. 1).

5.1 Structura mecanismului paralel

Un sistem modular al unui robot paralel trebuie sa conțină un set de module independente conținând cuple pasive, conectori rigizi, platforme mobile și efectori finali, toate acestea pot fi rapid ansamblate într-un robot cu configurații varialbile (grade de libertate si geometrii), fiecare cu caracteristici dinamice si cinematice diferite. Roboții paraleli posedă capacități de încărcare foarte mari și caracteristici de mișcare fine toate acestea datorându-se mecanismului în lanțuri cinematice închis.

Structura de lanțuri cinematice închise a unui robot paralel impune constrângeri de dimensiuni pentru subansamble. Pentru înlăturarea inconvenientului se folosesc două tipuri de subansamble pentru crearea modulului robotului:

-module standard cu dimensiuni fixe 

-module cu dimensiuni variabile, acestea pot fi fabricate rapid

Mecanismele paralele sunt mecanisme formate din doua platforme :una considerata a fi fixă si una considerată a fi mobilă ; cele doua platforme sunt legate intre ele prin “n” lanțuri cinematice independente, mișcarea platformei mobile fiind introdusă prin cele “n” lanțuri cinematice

5.2 Constructia mecanismelor paralele :

Pentru construcția robotului paralel trebuie să alegem una din variantele posibile a acestor mecanisme. Alegerea se face pe baza criteriilor :

-mecanismul să aibă un volum de lucru cât mai mare;

-să fie cât mai ușor de realizat din punct de vedere tehnologic;

-să țină cont de limitările cinematice ( cu privire la amplasarea unui dispozitiv pe platforma mobilă ).

Modelul conceptual al robotului paralel:

asigurarea unei productivități cât mai ridicate ;

asigurarea unei precizii de prelucrare adecvate ;

posibilitatea de integrare intr-un sistem flexibil de fabricație.

In urma analizei rezultatelor obținute în aplicarea structurilor paralele în domeniul mașinilor unelte, s-a constatat că mașinile bazate pe cinematica paralelă satisfac pe deplin aceste cerințe, adăugând un plus semnificativ în ceea ce privește viteza (deci și productivitate), precizia de prelucrare, posibilități de a genera suprafețe complexe, practic fără constrângeri geometrice in interiorul volumului de lucru, de unde rezultă un grad mare de flexibilitatea a lor.

5.3 Actionarea mecanismelor paralele:

5.3.1 Acționarea pneumatică:

Avantajul principal al acționării pneumatice îl constituie faptul că este prezent în majoritatea posturilor de lucru industriale a agentului de lucru aerul comprimat.

Acționarea pneumatica este simplă ,permite viteze mari de lucru dar este soluția cea mai puțin precisă și totodată permite obținerea unor forțe relativ mici.

Principalele variante ale acționării pneumatice sunt:

Actionare pneumatica secventiala

Actionare pneumatica asistata hydraulic

Actionarea pneumatica de precizie

5.3.2. Acționarea hidraulică

Permite obținerea unor forțe foarte mari la precizii ridicate dar este o soluție mai putin curată din cauza scăpărilor inevitabile de ulei din sistemul hidraulic. De asemenea acționarea hidraulică necesită condiții de mediu ( temperatura ) stricte și nu permite viteze ridicate de lucru. Variantele de acționare cele mai raspândite sunt:

1. Acționarea electro-hidraulică servocomandată analogic;

2. Acționarea electro-hidraulică servocomandată digital.

Acționarea electrică se face preponderent cu ajutorul unor motoare electrice rotative, motoarele electrice lineare se aplică doar pentru aplicații care nu necesita o precizie ridicată și forte însemnate.

Acționarea electrica se aplică în cazul roboților mici si mijlocii, acolo unde puterea necesară acționării nu depașește ordinul a 3-5 KW, caz în care și gabaritul și greutatea motoarelor se încadrează în dezideratele de formă și suplețe ale structurii mecanice.

De asemenea, acționarea de tip electric este posibilă acolo unde nu se pun condiții speciale de mediu ( medii explozive, medii umede).

Deoarece variatia turatiei motorului este absolut necesara se folosesc tipuri de motoare care permit realizarea acestui lucru si in primul rind motoare electrice de curent continuu.

Cele mai utilizate la ora actuală sunt așa numitele servomotoare în care motoarele de construcție specială concepute special pentru a fi acționate prin intermediul computerelor și dedicate acționarilor de precizie au incluse constructiv și senzori de turație care asigură feed-backul necesar fără a mai fi necesari alți traductori.

Indiferent de tipul acționării: electrica ,pneumatică sau hidraulică prezența traductorilor este obligatorie deoarece este absolut necesară cunoașterea cu precizie a poziției relative și absolute a elementelor lanțurilor cinematice. Motivul pentru care mecanismele paralele sunt de mare actualitate este chiar faptul ca tehnica de calcul abia acum a ajuns în stare să rezolve în timp real legile de mișcare de o mare complexitate asociate mecanismelor paralele.

Bibiliografie :

http://www.robotics.ucv.ro/flexform/aplicatii/m1/Busuioc%20Viorica-Implementarea%20robotilor%20in%20liniile%20flexibile%20de%20fabricatie/continuttehnic.html

http://mdm.utcluj.ro/Proiecte/ID_1075/files/Descrierea%20proiectului%20ID_1075%20RO.pdf

http://pub.osim.ro/publication-server/pdf-document?PN=RO127277%20RO%20127277&iDocId=2457&iepatch=.pdf

http://mdm.utcluj.ro/Proiecte/ID_1075/rezultate.html