Structura Robotului

STRUCTURA ROBOTULUI

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

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

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

Schema bloc al structuri unui robot este:

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

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

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

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

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

Senzorii preia informații despre starea „externă" a robotului, caracterizată prin parametrii mediului (temperatură, presiune, compoziție, etc.) și acțiunea acestuia asupra robotului (forțe, cupluri, etc.).

Traductorii și senzori au rolul organelor de simț.

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

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

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

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

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

directe

inverse ("feed back").

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Dispozitivele de ghidare pot fi cu:

topologie serială,

paralelă

mixtă.

Structura sistemului mecanic al unui robot este :

Situarea, adică poziția – orientarea, unui corp în spațiul tridimensional este definită cu ajutorul poziției punctului caracteristic, și orientărilor dreptei caracteristice, respectiv a dreptei auxiliare.

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

Se înțelege prin:

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

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

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

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

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

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

Se poate defini:

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

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

Efectorul final are mai multe variante constructive:

Efectorul final al robotului care prelucrează obiecte este o sculă.

Efectorul final al robotului care mișcă obiecte este manipulatorul.

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

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

Platforma mobilă definește tipul robotului:

Robot staționar atunci când nu este înzestrat cu platformă mobilă;

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

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.

Astfel, 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)

Efectorul final se consideră de regulă un modul al robotului ca și sistemul de comandă (cu excepția traductoarelor / senzorilor înglobați în alte module).

În următoarele figuri (a,b,c,d) se prezintă desenele de subansamblu ale unor module de roboți.

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

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.

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.

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

Ideea dezvoltării unor familii de roboți construiți din module interschimbabile a fost apreciată de constructorii de roboți în deosebi la începutul anilor 1980. Datorită înmulțirii numărului aplicațiilor industriale ale roboților și a concentrării fabricației de roboți la un număr mai redus de firme care fabrică mai mulți roboți pe an, s-a ajuns după 1990 la diminuării construcției roboților din module tipizate.