Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație [628272]

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
CUPRINS
Introducere ………………………………………………………………………………………………………. 2
Capitolul 1.
Roboții industriali – aspecte cinematice și organologice ……………………………………… 9
1.1. Roboții în coordonate cilindrice…………………………………………………………………. …… 20
1.2. Roboți de tip SCARA ………………………………………………………………………………. …… 24
1.3. Alte tipuri de roboți …………………………………………………………………………………. …… 25
Capitolul 2.
Sisteme de conducere a roboților ……………………………………………………………………….. 30
2.1. Sisteme de conducere a roboților pe bază de echipamente numerice…………………….. 33
2.1.1. Sistemul de interfață automat – robot……………………………………………………. 36
2.1.2. Automate programabile cu operare scalară ……………………………………………. 40
2.1.3. Automate programabile cu operare vectorială………………………………………… 44
2.2. Sisteme de conducere a roboților pe bază de controlere logice programab ile………… 47
2.2.1. Instrucțiuni și programarea grafică a CLP……………………………………………… 49
2.2.2. Organigrame de stări și Grafcet …………………………………………………………… 50
2.2.3. Implementarea algoritmilor de reglare…………………………………………………… 53
2.3. Sisteme de conducere a roboților pe bază de microcontrolere ……………………………… 55
2.3.1. Elemente de bază ale microcontrolelor………………………………………………….. 57
2.3.2. Structuri robotice comandate cu microcontrolere……………………………………. 62
Capitolul 3.
Studiul unui robot TRR ……………………………………………………………………………………… 66
3.1 Structura mecanica si organologica …………………………………………………………………… 66
3.2 Structura cinematic…………………………………………………………………………………………. 69
3.3 Actionarea Robotilor Industriali ……………………………………………………………………….. 74
3.4 Comanda Robotilor Industriali…………………………………………………………………………. 84
3.5 Aplicatii ale robotilor………………………………………………………………………………………. 88
3.5.1. Aplicatii industriale ale robotilor………………………………………………………….. 89
3.5.2 Aplicatii neindustriale ale robotilor………………………………………………………… 90
Concluzii finale ………………………………………………………………………………………………….. 92
Bibliografie ………………………………………………………………………………………………………… 93
Anexe ………………………………………………………………………………………………………………… 94
1

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Introducere
Robotul este un sistem compus din mai multe elemente: mecanică, senzori
și actori precum și un mecanism de direcționare. Mecanica stabilește înfățișarea
robotului și mișcările posibile pe timp de funcționare. Senzorii și actorii sunt
întrebuințați la interacția cu mediul sistemului. Mecanismul de direcționare are
grijă ca robotul să-și îndeplinească obiectivul cu succes, evaluând de exemplu
informațiile senzorilor. Acest mecanism reglează motoarele și planifică
mișcările care trebuiesc efectuate.
Termenul robot (din cehă robot ) a fost utilizat de Josef Čapek și Karel
Čapek în lucrările lor de science fiction la începutul secolului 20 .
Cuvântul robot este de origine slavă și se poate traduce prin: muncă, clacă sau
muncă silnică. Karel Čapek a descris în piesa sa R.U.R. din anul 1921 muncitori
de asemănare umană, care sunt crescuți în rezervoare. Čapek folosește în
lucrarea sa motivele clasice de golem . Denumirea de astăzi a creaturilor lui
Čapek este de android . Înaintea apariției termenului de robot s-au utilizat de
expemplu în uzinele lui Stanisław Lem termenii automat și semiautomat .
Primele modele de mașini pot fi mai degrabă numite automate (provenind
din grecescul automatos , care înseamnă „se mișcă singur”). Acestea nu puteau
executa decât câte un singur obiectiv, fiind constrânse de construcție.
Matematicianul grec Archytas a construit, conform unor relatări, unul
dintre aceste prime automate: un porumbel propulsat cu vapori, care putea zbura
singur. Acest porumbel din lemn era umplut cu aer sub presiune. Acesta avea un
ventil care permitea deschiderea și închiderea printr-o contragreutate. Au urmat
multe modele dealungul secolelor. Unele înlesneau munca iar altele deserveau la
amuzamentul oamenilor.
Odată cu descoperirea ceasului mecanic din secolul XIV s-a deschis calea
unor posibilități noi și complexe. Nu mult după aceea au apărut primele mașini,
care semănau îndepărtat cu roboții de azi. Posibil era însă numai ca mișcările să
urmeze una după alta, fără să fie nevoie de intervenția manuală în acel sistem.
Dezvoltarea electrotehnicii din secolul XX a adus cu sine și o dezvoltare a
robotici. Printre primii roboți mobili se numără sistemul Elmer și Elsie construit
de William Grey Walter în anul 1948 . Aceste triciclete se puteau îndrepta spre o
sursă de lumină și puteau să recunoască coliziuni în împrejurimi.
Anul 1956 este considerat ca anul nașterii a robotului industrial. George
Devol a depus candidatura în acest an în SUA pentru un patent pentru
"transferul programat de articole". Câțiva ani după aceea a construit împreună
cu Joseph Engelberger UNIMATE (fig.1).
2

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Acest robot de cca. două tone a
fost mai întâi introdus în montarea de
iconoscoape pentru televizoare,
găsindu-și apoi drumul în industria
automobilă. Programele pentru acest
robot au fost salvate sub formă de
comenzi direcționate pentru motoare
pe un cilindru magnetic. Din acest
moment se introduc roboți industriali
ca UNIMATE în multe domenii ale
producției fiind permanent dezvoltați
mai departe pentru a putea face față cererilor complexe care li se impun.
Roboții sunt realizați de regulă, prin combinația dintre
disciplinele: mecanică , electrotehnică și informatică . Între timp s-a creat din
legătura acestora mecatronica . Pentru realizarea de sisteme autonome (adică
sisteme care să găsească singure soluții) este necesară legătura a cât mai multor
discipline de robotică . Aici se pune accent pe legătura conceptelor de inteligență
artificială sau neuroinformatică precum și idealul lor biologic (biocibernetică ).
Din legătura între biologie și tehnică s-a dezvoltat bionica .
Cele mai importante componente ale roboților sunt senzorii , care permit
mobilitatea acestora în mediu și o dirijare cât mai precisă. Un robot nu trebuie
neapărat să poată să acționeze autonom, fapt pentru care se distinge între un
robot autonom și unul teleghidat.
Termenul de robot descrie un domeniu destul de vast, cauză din care
roboții sunt sortați în multe categorii. Iată câteva din acestea:
 Robot autonom mobil
 Robot umanoid
 Robot industrial
 Robot de servicii
 Robot jucărie
 Robot explorator
 Robot pășitor
 BEAM
 Robot militar
George Devol a înregistrat în anul 1954 primul patent pentru un robot
industrial . Roboții industriali din prezent nu sunt de obicei mobili. După forma
și funcția lor, domeniul lor operațional este restrâns. Ei au fost introduși pentru
prima oară pe linia de producția a General Motors în 1961 . Roboții industriali au
Fig. 1- Robotul UNIMATE
3

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
fost folosiți prima dată în Germania la lucrări de sudură începând din 1970 (fig.
2).
Fig. 2 – Model de sudare robotizată a car oseriei automobilelor
Printre roboții industriali se numără și roboții de portale, care sunt
introduși în producția de wafere , în instalații de turnat colofoniu sau la măsurări.
În prezent roboții industriali execută și probleme de maniabilitate.
Roboții exploratori sunt roboți care operează în locații greu accesibile și
periculoase teleghidați sau parțial autonom. Aceștia pot lucra de exemplu într-o
regiune aflată în conflict militar, pe Lună sau Marte . O navigare teleghidată de
pe pământ în ultimele două cazuri este imposibilă din cauza distanței. Semnalele
de comunicatie ajung la destinatie in cateva ore, iar receptionarea lor dureaza la
fel de mult. În astfel de situații roboții trebuie să fie programați cu mai multe
tipuri de comportare, din care ei să aleagă pe cel mai adecvat și să-l execute. În
parteneriat cu General Motors , NASA Robonaut2 este cel mai recent exemplu
că un robot dotat cu aplicațiile software potrivite și cu nenumărați senzori poate
ieși în spațiu și se poate ocupa spre exemplu de mentenanța stațiilor spațiale.
Acest tip de robot dotat cu senzori a fost folosit și la cercetarea puțurilor
din piramide. Mai mulți cryoboți ( fig. 3 ) au fost deja testați
de NASA în Antarctica . Acest tip de robot poate pătrunde până la 3.600 de m
prin gheață. Cryoboți pot fi astfel folosiți în cercetarea capelor polare
pe Marte și Europa în speranța descoperirii de viață extraterestră.
4

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Fig. 3 – Cryorobot Fig. 4 – Robot al poliției israeliene la
examinarea unui obiect suspect
Robotii utilizați în domeniul militar se mai numesc și unități mobile.
Aceste unitati pot depista și dezamorsa sau distruge bombe sau mine (de
exemplu robotul TALON – fig. 4). Există și roboți care ajută la căutarea de
oameni îngropați după cutremure.
Imaginea roboților umanoizi a luat formă în literatură, mai ales în
romanele lui Isaac Asimov în anii 1940. Acești roboți au fost pentru o lungă
perioadă de timp irealizabili. Pentru realizarea lor trebuiesc rezolvate multe
probleme importante. Ei trebuie să acționeze și să reacționeze autonom în
mediu, mobilitatea lor fiind restrânsă la cele două picioare ca locomoție. Pe
deasupra mai trebuie să fie capabili de a lucra cu brațele și mâinile. Din
anul 2000 probleme de bază par să fie rezolvate (cu apariția lui ASIMO (Honda )
– fig.5). Între timp apar dezvoltări noi în acest domeniu. Roboții umanoizi pot fi
clasificați ca roboți pășitori.
După un avânt substanțial al aplicațiilor
roboticii în domeniul industrial, cu precădere în
industria automobilelor, la începutul anilor '90 s-
au conturat multiple aplicații în domeniile
neindustriale (nemanufacturiere). Statisticile
privind tipurile de roboți arată sugestiv creșteri
importante ale numărului roboților care răspund
unor aplicații neindustriale.
Această dezvoltare, chiar spectaculoasă, în
direcția aplicațiilor neindustriale justifică
trecerea în revistă în rândurile de mai jos a
principalelor subdomenii în care roboții
nemanufacturieri sau roboții de serviciu își pot găsi aplicabilitate.
Fig. 5 – Robotul umanoid
ASIMO
5

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Pentru a sugera aplicații concrete în aceste subdomenii, aplicații abordabile în
colective interdisciplinare de ingineri, sunt precizate mai departe direcțiile care
pot fi avute în vedere.
În medicină: sisteme robotizate pentru diagnoza prin ecografie, sisteme
robotizate pentru intervenții neurochirurgicale; telemanipulatoare pentru
chirurgie laporoscopică; vehicule ghidate automat pentru transportul bolnavilor
imobilizați la pat; vehicule ghidate automat pentru transportul medicamentelor,
alimentelor, băuturilor și lenjeriei de schimb; vehicule ghidate automat pentru
activități de curățenie și dezinsecție în spitale; sisteme robotizate pentru
pregătirea prin simulare, înainte de operație a unor intervenții chirurgicale etc.
Ca și utilizare în medicină, de exemplu, un robot umanoid, numit Nao, a
fost folosit, în luna mai 2011, pentru copiii care suferă de autism, în cadrul unui
proiect derulat de Catedra de Psihologie Clinică și Psihoterapie a Universității
"Babes-Bolyai" din Cluj-Napoca, în parteneriat cu Centrul de Autism
Transilvania.
Nao a fost dezvoltat de compania franceză Aldebaran Robotics începand
cu anul 2005. Robotul are formă umanoidă, are o înaltime de aproape 60 de
centimetri și cântărește 4,3 kilograme (fig.6).
Fig. 6 – Robotul umanoid NAO Fig. 7 – Robot farmacist
UCSF Medical Centel a lansat recent un concept de farmacie operată doar
de roboți. Comanda pentru medicamente este dată de farmacist, iar roboții iau
medicamentele din raft, le ambalează și le livrează clienților. Până acum,
sistemul a pregatit fără eroare 350.000 de rețete, dozând perfect medicamentele
(fig. 7).
6

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Pentru reabilitare se pot identifica următoarele aplicații: scaun cu rotile
pliant, imbarcabil în autoturisme; manipulator pentru deservirea persoanelor
paralizate, vehicul pentru conducerea nevăzătorilor etc.
În construcții: vehicul ghidat automat pentru asfaltarea șoselelor, sistem
robotizat pentru stropirea betonului în construcția tunelurilor; robot mobil pentru
cofraje glisante; excavatoare autonome, sistem robotizat pentru compactarea și
nivelarea suprafețelor turnate din beton; sistem robotizat pentru inspectarea
fațadelor clădirilor; sistem robotizat pentru montarea/demontarea schelelor
metalice etc.
În administrația locală: vehicul autonom pentru curățirea zăpezii de pe
autostrăzi; vehicul autonom pentru menținerea curățeniei pe străzi; sistem
robotizat pentru inspecția și întreținerea automată a canalelor etc. Mijloacele de
transport public ar putea fi conduse în viitor de roboți. Google lucrează deja la
conceptul de mașina complet automatizată, iar teste au fost deja făcute. Șapte
mașini au fost deja conduse de roboți pe distanțe destul de lungi, cu o intervenție
umană minimă.
Avocați: În loc să plătească o armată de avocați, o companie va putea
apela pe viitor la roboți dotați cu aplicații software speciale care vor putea
gestiona documentele într-un timp mult mai scurt. Blackstone Discovery, o
companie din Palo Alto, California, a lansat deja o aplicație software în acest
sens, scutind timp și mai ales resurse financiare.
Pentru protejarea mediului înconjurător: sistem robotizat de sortare a
gunoiului în vederea reciclării, sistem automat de inspectare, curățare și
recondiționare a coșurilor de fum înalte; platforme autonome mobile pentru
decontaminarea persoanelor, clădirilor, străzilor; vehicul ghidat automat pentru
decontaminarea solului etc.
În agricultură, dintre aplicațiile posibile amintim: sistem robotizat de
plantare a răsadurilor; sistem robotizat de culegere a fructelor; sistem robotizat
de culegere a florilor; sistem robotizat de tundere a oilor etc.
În comerț, transporturi, circulație: vehicule ghidate automat pentru
întreținerea curățeniei pe suprafețe mari (peroane de gări, autogări și aerogări);
sistem robotizat de curățire automata a fuselajului și aripilor avioanelor; sistem
automatizat de alimentare cu combustibil a autovehiculelor etc.
Hotelurile și restaurantele pot fi prevăzute cu: sisteme robotizate pentru
pregătirea automată a sălilor de restaurant, de conferințe; sistem de manipulare
automată a veselei; minibar mobil pentru transportul băuturilor, ziarelor etc.
7

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Pentru siguranță și pază: robot mobil de pază pe timpul nopții în muzee;
robot mobil pentru paza clădirilor și șantierelor; vehicul autonom pentru
stingerea incendiilor; sistem robotizat pentru intervenții în spații periculoase etc.
Spre deosebire de oameni,
roboții ar putea ajunge mai ușor în
locuri puțin accesibile în cazul unor
dezastre naturale cu scopul de a salva
victimele. Oameni de știință precum
Satoshi Tadokoro de la Tohoku
University s-au oferit deja să
împrumute roboți pentru misiunile de
salvare din Japonia. Specialistul are
un robot în formă de șarpe care poate
intra în spații înguste și să vadă dacă sunt sau nu victime prinse sub dărâmături,
prin intermediul unei camere de luat vederi (fig. 8).
Statisticile spun că peste 1,2 milioane de roboți industriali vor lucra în
următorii doi ani în lume, înlocuind anumit e locuri de muncă ocupate anterior de
oameni.
Participarea supercomputerului Watson la concursul Jeopardy a fost doar
un exemplu că prin intermediul tehnologiei tot mai avansate, roboții încep să fie
mai inteligenți decât oamenii, putând să-i înlocuiască în anumite activități.
Până în 2013, se preconizează ca în lume vor exista 1,2 de milioane de
roboți industriali activi, câte unul la fiecare 5.000 de oameni, potrivit lui
Marshall Brain, fondatorul „How Stuff Works” și autorul „Robotic Nation”.
Roboții elimină de la bun început riscul erorilor și sunt capabili printre
altele să analizeze documente și să le îndosarieze, existând astfel șansa ca în
următorii ani tot mai multe locuri de muncă ocupate până acum de oameni să fie
preluate de mașinării inteligente.
Fig. 8 – Robot pentru misiuni de
salvare
8

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Capitolul 1. Roboții industriali –aspecte cinematice și organologice
Istoria roboților industriali dureazã de numai 30 de ani. Primul robot
industrial a fost folosit în anul 1963 la uzinele Trenton ( S.U.A.) ale companiei
General Motors. De atunci și pânã astãzi numãrul și performanțele roboților
industriali au crescut în continuu, pe mãsura dezvoltãrii posibilitãților lor,
gãsindu-și noi utilizãri, astãzi putând fi folosiți în toate sferele de activitate, ziua
când el va putea efectua orice gen de operații întrezãrindu-se deja.
Existã o multitudine de definiții date roboților industriali. Mai nou
definițiile roboților industriali au fost standardizate de cãtre principalele țãri
producãtoare.
Astfel norma francezã NF E61-100/1983 definește robotul industrial
astfel: “Un robot industrial este un mecanism de manipulare automatã, aservit în
poziție, reprogramabil, polivalent, capabil sã poziționeze și sã orienteze
materialele, piesele, uneltele sau dispozitivele specializate, în timpul unor
mișcãri variabile și programate, destinate executãrii unor sarcini variate.”
Dupã norma germanã VDI 2860 BI.1 “roboții industriali sunt automate
mobile universale, cu mai multe axe, ale cãror mișcãri sunt liber programate pe
traiectorii sau unghiuri, într-o anumitã succesiune a mișcãrilor și în anumite
cazuri comandate prin senzori. Ele pot fi echipate cu dispozitive de prehensiune,
scule sau alte mijloace de fabricație și pot îndeplini activitãți de manipulare sau
tehnologice.”
Dupã norma rusã GOST 25685-83, “robotul industrial este mașina
automatã care reprezintã ansamblul manipulatorului și al dispozitivului de
comandã reprogramabil, pentru realizarea în procesul de producție a funcțiilor
motrice și de comandã, înlocuind funcțiile analoage ale omului în deplasarea
pieselor și/sau a uneltelor tehnologice.”
Standardul japonez JIS B 0124/1979 definește robotul industrial ca:”…un
sistem mecanic dotat cu funcții motoare flexibile analoage celor ale
organismelor vii sau combinã asemenea funcții motoare cu funcții inteligente,
sisteme care acțtioneazã corespunzãtor voinței omului.” În contextul acestei
definiții, prin funcție inteligentã se înțelege capacitatea sistemului de a executa
cel puțin una din urmãtoarele acțiuni: judecatã, recunoașterea, adaptarea sau
învãțarea.
Dezvoltarea explozivã a roboților industriali a condus la apariția unui
numãr enorm de roboți industriali având cele mai diferite forme și structuri. A
apãrut astfel necesitatea clasificãrii roboților industriali dupã anumite criterii.
9

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Ei se clasificã astfel:
1. Dupã informația de intrare și modul de învãțare al robotului industrial:
1.1. Manipulator manual, care este acționat direct de cãtre om;
1.2. Robot secvențial, care are anumiți pași ce “asculta” de o procedurã
predeterminatã. La rândul lor aceștia pot fi :
– robot secvențial fix, la care informația predeterminatã nu poate fi ușor
modificatã;
– robot secvențial variabil, la care informația predetrminatã poate fi ușor
schimbatã;
1.3. Robot repetitor (playback). La început omul învațã robotul procedura de
lucru, acesta memoreazã procedura, apoi o poate repeta de câte ori este nevoie.
1.4. Robot cu control numeric. Robotul industrial executã operațiile cerute în
conformitate cu informațiile numerice pe care le primește.
1.5. Robotul inteligent își decide comportamentul pe baza informațiilor primite
prin senzorii pe care îi are la dispoziție și prin posibilitãțile sale de recunoaștere.
2. Clasificarea dupã forma mișcãrii :
2.1. Robotul cartezian este cel ce opereazã într-un spațiu definit de c oordonate
carteziene;
2.2 Robotul cilindric este similar celui cartezian, dar spațiul de lucru al brațului
este definit în coordonate cilindrice;
2.3.Robotul sferic (polar) are spațiul de lucru definit în coordonate sferice
(polare);
2.4. Robotul protetic are un braț articulat;
2.5. Roboți industriali în alte tipuri de coordonate.
3. Clasificarea dupã numãrul gradelor de libertate.
4. Clasificarea dupã spațiul de lucru și greutatea sarcinii manipulate.
5. Clasificarea dupã metoda de control.
5.1. Manipulatoare simple, formate din grupele 1.1 și 1.2;
5.2. Roboți programabili, formați din grupele 1.3 și 1.4.
5.3 Roboți inteligenți.
6. Dupã generații sau nivele, în funcție de comanda și gradul de dezvoltare
al inteligenței artificiale , deosebim :
6.1. Roboți din generația I, care acționeazã pe baza unui program flexibil, dar
prestabilit de programator, care nu se mai poate schimba în timpul executiei;
6.2. Roboții din generația a-II-a se caracterizeazã prin aceea cã programul
flexibil prestabilit poate fi schimbat în limite foarte restrânse în timpul execuției;
10

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
6.3. Roboții din generația a-III-a posedã însușirea de a-și adapta singuri
programul în funcție de informațiile culese prin proprii senzori din mediul
ambiant.
În afara acestor criterii de clasificare în funcție de necesitãți și/sau de
evoluția ulterioară a robotului industrial se mai pot defini și alte criterii, dupã
care se clasificã roboții industriali.
Indiferent de obiectiv (poziționare sau efectuarea unor operații
tehnologice) roboții industriali (RI) trebuie sã pozitioneze și sã orienteze un
obiect în spațiu. Fixarea și orientarea unui corp în spațiu se face cu ajutorul a
șase parametrii: trei pentru poziție și trei pentru orientare. Aceasta se poate
realiza prin rotații, translații sau rotații combinate cu translații. Un solid rigid
poate fi definit prin intermediul unui punct aparținând lui, numit punct
caracteristic (cel mai frecvent centrul de greutate al solidului rigid) și al unei
drepte ce conține punctul caracteristic numitã dreaptã caracteristicã. Un punct
material caracteristic și o dreaptã caracteristicã definesc un solid rigid.
Cele trei grade de libertate ale mecanismului generator de traiectorie pot fi
cuple de rotație sau de translație, în timp ce mecanismul de orientare este în
general constituit din trei cuple cinematice de rotație. Mecanismul generator de
traiectorie poate fi separat de mecanismul de orientare, situație în care structura
robotului se numește “structurã deculatã”.
Mișcarea de poziționare se poate realiza utilizând trei cuple cinematice de
rotație (R) sau translație (T). Existã 8 combinații posibile de rotații și translații
(23=8). Acestea sunt: RRR, RRT, RTR, RTT, TRR, TRT, TTR, TTT. Cât despre
dispozitivul de ghidare acesta poate exista în 33=27 variante. Combinând cele 8
posibilitãți cu cele 27 combinații rezultã 8 x 27 = 216 lanțuri cinematice. Nu
toate aceste varinate conduc însã cãtre un spațiu de lucru tridimensional și în
consecințã acestea vor fi eliminate, în final ramãnând 37 variante posibile.
Dintre cele 8 structuri posibile de mecanism generator de traiectorie 4
sunt de preferat, conform GOST 25685/83 și JIS 0134/86: TTT, RTT, RRT,
RRR.
Fiecare dintre cele 37 de structuri de lanț cinematic poate sta la baza unui
robot, determinând o arhitecturã specificã.
Prin gradul de manevrabilitate al dispozitivului de ghidare se înțelege
numãrul gradelor de mobilitate ale lanțului cinematic care îi stã la bazã. Prin
grad de mobilitate al lanțului cinematic se înțelege numãrul posibiltãților de
mișcare pe care lanțul cinematic le are în raport cu sistemul de referințã
solidarizat cu unul din elementele sale.
11

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Fără îndoială, una dintre principalele caracteristici ce definesc un robot, îl
constituie "gradele de libertate" pe care acesta le posedă. A vorbi de gradele de
libertate ale robotului este echivalent cu a spune numărul și tipul de mișcări
efectuate de către manipulator.
Urmărind mișcările de braț și de încheietură a „mâinii” unui robotului
(fig. 9), se poate determina numărul de grade de libertate pe care le are un robot.
Fig. 9 – M ișcările de braț și de încheietură a „mâinii” unui robotului
În general, atât în brațul cât și în încheietura mâinii robotului, gradele de
libertate variază de la unu la trei grade de libertate, în funcție de complexitatea
robotului.
De exemplu, robotul Jupiter , care este un robot ce realizează operații de
depozitare automată prin rotația mâinii, posedă un singur grad de libertate. La
rândul său, încheietura mâinii robotului MoveMaster Mitsubishi este proiectat
pentru a face o mișcare de rotație și una de translație, adică are două grade de
libertate. În concluzie, gradele de libertate ale unui robot sunt direct legate de
anatomia lor.
Poziția unui punct în spațiu este determinatã prin trei parametri
geometrici independenți între ei, care pot fi coordonatele punctului considerat.
Dacã se stabilește o lege de determinare a acestor parametri pentru orice punct
din spațiu, spunem cã am stabilit un sistem de coordonate.
Punctul caracteristic poate fi poziționat în interiorul spațiului de lucru al
robotului industrial într-unul din urmãtoarele sisteme de coordonate:
– sistem de coordonate cartezian (fig. 10);
-sistem de coordonate cilindric (fig. 11);
-sistem de coordonate sferic (fig. 12);
-sistem de coordonate unghiular (fig. 13).
12

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație

Fig. 10 – Robot în sistem de coordonate cartezian

Fig. 11 – Robot în sistem de coordonate cilindrice

Fig. 12 – Robot în sistem de coordonate sferice
13

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație

Fig. 13 – Robot în sistem de coordonate unghiulare
Alegerea unuia sau a altuia dintre sisteme se face și în concordanțã cu
arhitectura robotului.
Robotul industrial reprezintă în momentul de față punctul de intersecție al
rezultatelor de vârf într-o serie de domenii: mecanică, automatică, calculatoare și
sisteme de acționare. Această congruentă a unor ramuri științifice și tehnologice
atât de diferite se explică prin complexitatea deosebită a robotului, atât sub
raportul arhitecturii mecanice, cât și în ceea ce privește sistemul de conducere.
Privit în toată complexitatea sa, un sistem robotic cuprinde următoarele
componente (fig. 14): spațiul de operare, sursa de energie, sursa de informație și
robotul.
Fig. 14 – Componentele unui sistem robotic
14

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Spațiul de operare al unui robot este strâns legat de domeniul de lucru al
acestuia, de gama aplicațiilor la care participă. Acest spațiu este definit direct de
parametrii arhitecturii mecanice a robotului și este restricționat pe de o parte de
anumite caracteristici ale elementelor interne, mecanice, și pe de altă parte de
caracteristicile obiectelor implicate în procesul tehnologic.
Sursa de energie constituie suportul energetic necesar pentru punerea în
mișcare atât a elementelor mobile ale robotului cât și pentru asigurarea
alimentării electrice a sistemului de acționare și a celui de conducere.
Sursa de informație definește modul de operare al robotului,
caracteristicile de bază ale funcționării acestuia, structura algoritmilor de
conducere în funcție de specificul operației, de modul de prelucrare a informației
de bază (în timp real sau nu) și de relația robot – operator existentă în procesul
de operare. Această relație poate determina funcționarea automată,
independentă, a robotului sau în asociere cu operatorul (de exemplu sistemele de
teleoperare).
Robotul , componenta de bază a acestui sistem, este format din două părți:
unitatea de prelucrare a informației și unitatea operațională.
Unitatea de prelucrare a informației este un complex hardware-software
ce primește date privind instrucțiunile ce definesc operațiile executate,
măsurători privind starea unității operaționale, observații asupra spațiului de
operare al robotului, date pe baza cărora determină în conformitate cu algoritmii
de conducere stabiliți, deciziile privind modalitatea de acționare a unității
operaționale etc.
Unitatea operațională corespunde robotului propriu-zis cuprinzând
structura mecanică a acestuia și sistemul de acționare asociat. Această unitate
acționează asupra spațiului de operare utilizând și transformând energia
furnizată de sursă și reacționând adecvat la semnalele primite din exterior. În
componența robotului distingem: elementele care interacționează direct cu
spațiul de operare (elementele efectoare, gripere sau mâini), componente de
structură (articulații, segmente), modulatoare de energie (amplificatoare),
convertoare de energie (motoare), sisteme de transmisie a energiei mecanice și
senzori interni.
Numeroasele aplicații și funcțiuni exercitate de un robot pun în evidență
două caracteristici esențiale ale acestor sisteme: versatilitatea și autoadaptarea la
mediu.
Versatilitatea definește capacitatea fizică a robotului de a realiza diverse
funcții și de a produce diverse acțiuni în cadrul unei aplicații tehnologice date.
Această proprietate este strâns legată de structura și capacitatea mecanică a
15

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
robotului, ea implicând configurații mecanice cu geometrie variabilă a căror
flexibilitate să acopere cerințele de operare.
Autoadaptarea constituie, de asemenea, o proprietate deosebit de
importantă a roboților ce confirmă gradul de „inteligență” al acestor sisteme. Ea
definește capacitatea acestora de a lua inițiativa în realizarea unor operații
incomplet specificate prin programul de conducere, proprietatea de a sesiza
anumite modificări ale mediului de operare, posibilitatea de a stabili un plan
complet de operații având jalonate numai anumite faze semnificative etc.
Roboții industriali utilizați în momentul de față prezintă soluții
constructive și conceptuale neunitare datorită, în special, diversității sarcinilor
cerute, parametrilor tehnici impuși și aplicațiilor specifice pentru care au fost
proiectați. Cu toată această aparentă neunitate, robotul prin structura sa
mecanică poate fi considerat ca un sistem omogen format din elemente cu
funcții bine precizate care asigură interacțiunea nemijlocită între robot și
obiectul acțiunii sale din spațiul de operare.
Principalele componente ale structurii mecanice sunt: elementul efector,
brațul și baza robotului
Elementul efector denumit uneori și griper, element de prehensiune, mână
sau pur și simplu element terminal asigură contactul direct, nemijlocit dintre
robot și obiectul din spațiul de operare asupra căruia acționează. Acest element
diferă constructiv după gama aplicațiilor și după natura funcției realizate. Astfel,
elementele efectoare utilizate în sudură diferă de cele folosite în operațiile de
manipulare sau de vopsire.
Un astfel de element cuprinde:
corpul propriu-zis, cu o structură mecanică adecvată funcției realizate;
unul sau mai multe dispozitive de acționare;
unul sau mai mulți senzori pentru determinarea regimurilor critice ale
operației realizate.
Trebuie remarcat faptul că soluțiile constructive adoptate tind spre
realizarea fie a unui element multifuncțional cu o gamă largă de aplicații, fie
spre un element efector monofuncțional cu o destinație precisă.
Brațul robotului servește pentru poziționarea corectă a elementului
efector. În acest scop, brațul reprezintă o structură mecanică cu o geometrie
variabilă obținută prin legarea în cascadă a unor segmente conectate prin
articulații de rotație sau translație. Sistemele de acționare corespunzătoare
asigură mișcările independente ale fiecărui segment în raport cu segmentul
precedent. Aceste mișcări sunt în general restricționate de anumite caracteristici
ale arhitecturii mecanice.
16

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Toate aceste elemente și subansamble se montează pe un cadru special ce
formează baza robotului. Această bază se așează fie pe un postament fix sau
mobil (în funcție de tipul robotului), fie se suspendă pe o cale de ghidare cu șină.
Elementele enumerate formează structura de bază a oricărui robot
industrial. În afară de această structură ”clasică”, în construcția roboților pot
apare sisteme de locomoție, sisteme cu 2-3 brațe, sisteme cu 2-3 elemente
efectoare etc.
Complexitatea sistemului de conducere și gradul de dificultate al
operațiilor executate determină adoptarea unor tehnologii specifice de
implementare a legilor de conducere.
Soluțiile oferite de majoritatea roboților și manipulatoarelor industriale
pot fi grupate în două clase: implementări în logică cablată și implementări în
logică flexibilă (programată). Prima clasă este reprezentativă pentru acele tipuri
de roboți secvențiali și manipulatoare care au sisteme de conducere cu cel mult
două nivele ierarhice (inferioare), nivelul executiv și tactic.
Legile de conducere sunt de tip secvențial și prezintă un pronunțat
caracter de rigiditate, traiectoriile de mișcare, impuse de operațiile executate,
păstrând constante forma și mărimile lor semnificative. Tehnologic aceste
sisteme sunt realizate în două variante: fluidic și electronic. Soluția fluidică este
întâlnită la primele tipuri de manipulatoare industriale, în momentul de față
preferându-se aproape în exclusivitate tehnologiile de tip electronic.
Soluțiile flexibile de conducere corespund cerințelor impuse de roboții
industriali moderni. Ele oferă avantaje deosebite atât sub raportul performanțelor
realizate cât și în ceea ce privește complexitatea problemelor tratate și
simplitatea structurilor hardware utilizate. Practic, aceste sisteme sunt
implementate în patru variante: cu logică flexibilă de tip microprogramat, cu
automate programabile, microprocesoare și microcalculatoare.
Această eșalonare indică de fapt și complexitatea soluțiilor adoptate,
structurile microprogramate corespunzând unor legi de conducere simple iar
conducerea cu microprocesoare și microcalculatoare fiind specifică sistemelor
complexe cu o comportare adaptivă față de schimbările mediului de operare.
Majoritatea roboților și manipulatoarelor industriale operează în practică
în condiții cunoscute anticipat, funcționând ciclic în conformitate cu cerințele
tehnologice impuse. Ca urmare, este posibilă sinteza unei conduceri nominale, a
unui control programat, ce implementează mișcarea dorită pentru o stare inițială
particulară considerând că nici o perturbație nu afectează mișcarea. Un astfel de
control poate fi sintetizat utilizând modelul centralizat (global) al robotului.
Întrucât aceste modele sunt, în general, destul de precise, este de așteptat ca
17

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
traiectoria realizată de robot prin exercitarea acestui control să fie destul de
corect executată.
Sinteza acestui control este realizată, de obicei, off-line definind mai întâi
traiectoria de mișcare în conformitate cu cerințele tehnologice de funcționare ale
robotului și calculând apoi mărimile de control necesare pentru acționarea
acestuia. Aceasta înseamnă că nivelul de control tactic se reduce la o simplă
memorare a traiectoriilor și a secvențelor de control adecvate.
Această soluție este, în general, unanim acceptată în aplicațiile industriale
ale roboților și manipulatoarelor, calculul off-line al controlului fiind realizat
într-un calculator suficient de puternic, ce acoperă un număr mare de sisteme de
conducere, în timp ce controlul efectiv al roboților la nivel executiv cade în
sarcina unor automate locale, microprocesoare sau microcalculatoare
specializate.
O problemă deosebită, în sinteza controlului la nivel tactic, apare datorită
redundanței structurii mecanice. Această problemă poate fi eliminată prin
introducerea unor criterii suplimentare care să penalizeze și să restricționeze
posibilitățile de mișcare ale robotului. În acest fel, o conducere optimă sau
suboptimală satisface pe de o parte anumite criterii de performanță și înlătură, pe
de altă parte, aspectele conducerii redundante. Evident ca o astfel de tratare
presupune o abordare la nivele ierarhice superioare, algoritmii respectivi
necesitând un suport hardware și software substanțial.
Complexitatea modelelor matematice ale întregii structuri mecanice face,
de cele mai multe ori, improprie implementarea unor algoritmi de conducere. În
acest caz, este preferată decuplarea modelului în subsisteme, în mod normal
fiecărei articulații (sau a unei grupe de articulații) asociindu-i-se un subsistem.
Legea de conducere este determinată din condițiile de stabilizare locală a
fiecărui subsistem ceea ce nu conduce întotdeauna la o comportare satisfăcătoare
pe ansamblul problemei de conducere. În astfel de situații se introduc
suplimentar bucle de reacție globală care să îmbunătățească performanțele
dinamice ale sistemului. Noua configurație de conducere obținută poate deveni
atât de complexă încât decuplarea realizată în prima fază își pierde sensul.
Cu toate aceste neajunsuri, tehnica decuplării poate fi utilizată cu succes
dacă se ține cont de faptul că, în condițiile definirii fiecărui grad de libertate ca
un subsistem propriu, cuplajul între subsisteme este determinat de forțele și
momentele in articulație. Este posibil sa se elimine interacțiunea dintre
subsisteme prin introducerea unor bucle de compensare adecvate. Această
metodă prezintă inconvenientul utilizării unor traductoare forță – moment, în
general traductoare pretențioase, costisitoare. Cu toate acestea, procedura este
18

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
atractivă datorită, în special, utilizării unor algoritmi de conducere mult mai
simpli decât în varianta clasică.
Conducerea roboților prin măsurarea forțelor-momentelor se impune de
asemenea în operațiile de asamblare când robotul vine în contact direct cu
anumite obiecte. În acest caz, conducerea prin controlul forței permite o mai
bună adaptare la fluctuațiile parametrilor spațiului de operare realizând totodată
performanțe dinamice satisfăcătoare.
Problema cinematică directă reprezintă ansamblul relațiilor care permit
definirea poziției endefectorului în funcție de coordonatele articulare, practic ea
asigurând conversia coordonatelor interne (articulare) în coordonate externe
(operaționale).
Conversia coordonatelor articulare în coordonate operaționale se face prin
rezolvarea problemei cinematice directe iar conversia coordonatelor
coordonatelor operaționale în coordonate articulare se face prin rezolvarea
problemei cinematice inverse.
Determinarea poziției punctului caracteristic manipulat în spațiul
triedrului de referintă fix este o problemă relativ simplă și deja rezolvată, ea
constituind soluția problemei cinematice directe.
Problema cinematică inversă permite calculul coordonatelor articulațiilor,
care aduc endefectorul în poziția și orientarea dorită, date fiind coordonatele
absolute (operaționale).
Atunci când problema cinematica inversă are soluție, ea se constituie în
modelul geometric invers MGI. Dacã nu putem găsi o soluție analitică
problemei cinematice inverse (ceea ce se întâmplã destul de frecvent) putem
apela la metode numerice, al căror neajuns însã îl constituie volumul mare de
calcule.
Spunem că un robot are soluție la problema cinematica inversă, dacă
putem să-i calculăm toate configurațiile care permit atingerea unei poziții date.
Nu toate mecanismele articulate satisfac însă aceastã condiție. După Roth,
roboții cu mai puțin de șase grade de libertate au întotdeauna soluție. Roboții cu
șase grade de libertate au soluție, dacă prezintă una dintre următoarele
caracteristici :
– posedă trei cuple de translație;
– posedă trei cuple de rotație cu axe concurente;
– posedă o cupla de rotație și una de translație coaxiale;
– posedă douã perechi de cuple de rotație cu axe concurente.
19

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Aproape toate structurile de roboți industriali utilizate în industrie prezintă
o soluție a problemei cinematice inverse și de aceea au structuri asemănatoare
celor descrise anterior.
Din punct de vedere al numărului de soluții există trei cazuri:
1. Problema cinematică inversă nu are soluții , ca în cazul când ținta se
află în afara spațiului de lucru al robotului.
2. Problema cinematica inversă are o infinitate de soluții atunci când :
– robotul este redundant vis a vis de misiunea încredințată;
– robotul se află intr-o configurație singulară. Robotul nu-și poate roti
endefectorul în jurul anumitor axe. Aceastã situație nu se datorează structurii
robotului ci valorilor numerice ale unor parametri ce descriu situațiile impuse.
3. Problema cinematică inversă are un numar finit de soluții și toate pot
fi calculate fãrã ambiguitate. Numarul de soluții depinde de arhitectura
robotului. Pentru clasa roboților cu șase grade de libertate posedând trei cuple
cinematice de rotație cu axe concurente numărul maxim de soluții este de 32.
Acest număr, obținut atunci când nici un parametru geometric nu este nul,
descrește atunci când aceștia iau anumite valori particulare. Numãrul de soluții
mai depinde și de mãrimea curselor articulațiilor.
1.1. Robotul în coordonate cilindrice
Sistemul mecanic al unui robot este format dintr-o configurație de corpuri
rigide, elementele sistemului, legate între ele succesiv prin articulații de rotație
sau translație. Pozițiile relative ale acestor elemente determină poziția pe
ansamblu a brațului mecanic, această poziție reprezentând de fapt una din
condițiile funcționale ale robotului.
Cele mai cunoscute versiuni de articulații mecanice întâlnite în sistemele
robotice sunt reprezentate prin lanțuri cinematice deschise în care poziția viteza
și accelerația unui element pot fi obținute recursiv din parametrii elementului
precedent. În general, fiecare element conține un singur grad de libertate în
raport cu elementul precedent astfel încât relațiile de transformare între elemente
conțin un singur parametru variabil. Legarea în cascadă a tuturor transformărilor
asociate fiecărui element permite determinarea parametrilor mișcării întregii
configurații mecanice și, în general, a elementului terminal.
Operațiile de manipulare specifice unui robot cer, în primul rând, o
poziționare corespunzătoare a sistemului mecanic, deci atingerea unui punct din
spațiul de lucru, și în al doilea rând impun o anumită orientare a elementului
terminal.
20

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Sistemul mecanic al robotului este realizat prin legarea succesivă a unor
articulații simple de rotație și translație, poziția fiecărui element putînd fi
definită în raport cu elementul precedent printr-o singură variabilă de rotație
(unghi) sau de translație (deplasare).
Structurile mecanice uzuale întîlnite la cele mai cunoscute familii de
roboți industriali se grupează, după coordonatele ce descriu pozițiile brațului, în:
roboți de coordonate carteziene, cilindrice, sferice, de rezoluție etc. Indiferent de
tipul utilizat, calculul cinematic se realizează determinînd parametrii fiecărei
articulații și formînd cu aceștia matricele de transformare.
Controlul cinematic este cea mai utilizată metodă de control a mișcării
unui robot, soluționare problemei fiind dată, în mod paradoxal, chiar de robot,
de implementarea sa fizică. Conceptul de bază în această abordare îl constituie
faptul că rezolvarea ecuațiilor implică evident modelarea lor (numerică sau
analogică), ori cea mai bună modelare, cea mai exactă, o reprezintă robotul
însuși. În acest sens, robotul este „forțat” să execute o anumită traiectorie în
spațiul său de lucru. În punctele prestabilite, dorite, sunt măsurate valorile
variabilelor de control, aceste valori reprezentând soluțiile exacte ale ecuațiilor
cinetice asociate punctelor respective. Valorile astfel obținute vor constitui
mărimi de control impuse în faza de operare propriu-zisă a robotului.
Modelul dinamic al unei structuri mecanice este reprezentat analitic
printr-un sistem de ecuații diferențiale ce definesc legăturile ce apar între
coordonatele generalizate sau derivatele lor și forțele, atât disipative, cât și
nedisipative, ce acționează asupra fiecărui element al configurației mecanice.
Pentru exemplificare, etapele de mai sus vor fi dezvoltate pe câteva
structuri mecanice.
Se va considera robotul în coordonate cilindrice din figura 15.
Fig. 15 – Robot în coordonate cilindrice RTT
21

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Roboții în coordonate cilindrice pot descrie în functionarea lor o anvelopă
de tip cilindru (fig. 16). Aceștia prezintă două axe liniare și o axă de rotație, care
corespund celor trei variabile ale sistemului de coordonate cilindrice și anume:
rotație, înalțime și rază. Roboții din această categorie pot efectua deplasări
înainte/înapoi sau rotiri stânga/dreapta.
Fig. 16 – Spațiul de lucru al robotului RTT
Coordonatele generalizate ale mișcării vor fi rotația ϕ1 și cele două
translații: d 2 și d 3. Energia potențială a întregului sistem, se poate raporta la
referința bazei sub forma:
2'gdm Epot= (1.1)
unde m’ este masa totală echivalentă în articulația 3. Energia cinetică a masei
este determinată de: o componentă produsă de translația masei (d 3) și o
componentă datorită rotației ( ϕ1) deci,
2 2.
2
3.
2
12
3d dm E N cin+ =ϕ (1.2)
Analog, energia cinetică a masei m3 va fi determinată de rotația brațului m3
prin momentul de inerție,
)(21
12332
3 323
3dJ dmlmJ =

−+= (1.3)
și de translația acestuia prin viteza de translație, deci,
2)(2.
2
1
33.
2
33
3ϕdJdmEcin+=(1.4)
De asemenea, celelalte articulații determină o energie
.
2
2'.
2
1121
21
1dm J Ecin+=ϕ (1.5)
Din (1.2) – (1.5) se obține energia cinetică a sistemului mecanic
22

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
( )2 2) (2)(.
2
2'.
2
3
3.
2
1
1 32
3dm dm m J dJ dm E N N cin+ ++++=ϕ (1.6)
Funcția Lagrangian va fi,
( ) 2'.
2
2'.
2
3
3.
2
1
1 32
32 2) (2gdmdm dm m J J dmL N N−+ ++++=ϕ (1.7)
Pentru obținerea modelului dinamic este necesară determinarea derivatelor
parțiale ale lui L în raport cu parametrii mișcării ϕ1,d2,d3 și derivatele acestora
ϕ.
i,.
2d,3.
d
( ).
2
11 32
3 .
1ϕ
ϕJ J dmL
N++=
∂∂
0
1=∂∂
ϕL

.
2'
2.dm
dL=
∂∂
gmdL '
2−=∂∂
(1.8)
( ).
3 3 .
2dm m
dL
N+=
∂∂
22.
2
1
33
3
3ϕ




∂∂+ =∂∂
dJmddL
N
Substituind rezultatele de mai sus în formula (funcția Lagrangian L)
i
i
iFqL
qL
dtd=∂∂−
∂∂
., i=1,2,…,n (1.9)
se obține,
( ) 1.
3
333.
3.
1 1 32
3..
12 M ddJddm J J d m N N=



∂∂+ ++++ ϕ ϕ (1.10)
Separând părțile liniare în relațiile (1.10) și (1.11) rezultă,
2'..
2'Fgmdm =+ (1.11)
( ) 3.
2
1
33
3..
3 32 FdJmd dm m N N=



∂∂+ −+ϕ(1.12)
Separând părțile liniare în relațiile (1.10) și (1.11) rezultă,
1 1.
3 1 1.
1'
1,, M ddB J =+ ϕ ϕ (1.13)
23

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
( ) 3.
1 3 2..
3 3, F dBdm m N=++ ϕ (1.14)
Ecuațiile (1.10) – (1.12) definesc modelul dinamic al robotului. În aceste
ultime relații, termenii neliniari B 1 și B 2 definesc momente Cariolis sau
componente de forțe de frecare.
1.2. Robotul de tip SCARA
Roboții SCARA au fost realizați pentru prima dată la Universitatea
YAMANASHI din Japonia. Inițialele „SCARA” provin de la: ‚,Sellective
Compliant Articulated Robot Arm’’. Avantajul se obține prin manipularea
obiectelor cu greutate mai mare de 30 kg.
Roboții SCARA sunt roboți al căror
mecanism generator de traiectorie are
două cuple motoare de rotație cu axele
paralele în plan vertical, iar a treia cuplă
motoare este de translație pe o direcție
paralelă cu cea a axelor cuplelor motoare
de rotație.
Soluția constructivă prezentată (fig.
17), se constituie dintr-un mecanism de
poziționare cu trei grade de libertate, ce
are în componență trei elemente
cinematice și trei cuple cinematice. Cele trei grade de libertate ale mecanismului
de poziționare corespund mișcărilor de: Rotație la bază (R), translație pe
verticală (T) și rotație a brațului articulat în plan orizontal (R).
În figura 18, sunt prezentați două tipuri de roboți tip SCARA produși de
firma „ Stäubli Faverges SCA” din Franța.
Fig 18 a) Robot RS20 SCARA Fig 18 b) Robot RS60 SCARA
1.3. Alte tipuri de roboți
Fig. 17 – Robotul tip SCARA
(TRR)
24

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Indiferent de obiectiv (poziționare sau efectuarea unor operații
tehnologice) roboții industriali ( RI ) trebuie să poziționeze și să orienteze un
obiect în spațiu. Fixarea și orientarea unui corp în spațiu se face cu ajutorul a
șase parametrii: trei pentru poziție și trei pentru orientare. Aceasta se poate
realiza prin rotații, translații sau rotații combinate cu translații.
Cele trei grade de libertate ale mecanismului generator de traiectorie pot fi
cuple de rotație sau de translație, în timp ce mecanismul de orientare este în
general constituit din trei cuple cinematice de rotație.
În cele ce urmează vom trece în revistă principalele tipuri de roboți
industriali din punct de vedere al structurii mecanismului generator de
traiectorie.
a) Roboți industriali tip “braț articulat” ( BA )
Robotul industrial tip „braț articulat” are ca mecanism generator de
traiectorie un lanț cinematic deschis compus din cuple cinematice de rotație (fig.
19).
Acești roboți au o mare suplețe care permite accesul în orice punct al
spațiului de lucru. Dezavantajul sãu principal îl constituie rigiditatea sa redusã.
Fig. 19 – Schema cinematicã a unui robot „braț articulat” (BA)
Cei mai cunoscuți roboți industriali aparținând acestei arhitecturi sunt:
-ESAB (Suedia) (fig. 20.a);
-Unimation (SUA) (fig. 20.b);
-Cincinnati Millacrom (SUA) (fig. 20.c).
25

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație

a) ESAB (Suedia) b) Unimation (SUA)
c) Cincinnati Millacrom (SUA)
Fig. 20 – Roboți tip „braț articulat”
b) Roboți industriali de tip “lanț închis“ ( LI )
La acest tip de roboți mecanismul generator de traiectorie este un lanț
cinematic închis, de tip patrulater articulat. Cuplele cinematice care intră în
componența lui sunt cuple de rotație. Datorită construcției, ei au un spațiu de
lucru considerabil mărit față de roboții de tip BA. Având în vedere rigiditatea lor
ridicată ei manipulează sarcini mari. Principalul lor dezavantaj constă în
construcția relativ complicată.
Cei mai reprezentativi roboți aparținând acestei arhitecturi sunt: Trallfa
(Norvegia) (fig. 21.a) și K15 (Germania) (fig. 21.b).
26

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație

a) Trallfa (Norvegia) b) K15 (Germania)
Fig. 21 – Roboți tip „lanț închis”
c) Roboți industriali de tip “pistol” ( P )
Acest tip de roboți industriali este constituit dintr-un corp central ce
poartã numele de braț, asemănător unei țevi de pistol, care-și poate modifica
direcția și lung imea.
Construcția lor este simplă și ei se remarcă printr-o suplețe și o dexteritate
scăzută. Spațiul lor de lucru este relativ mic. Se utilizează în special la
manipularea unor mase reduse. Din punct de vedere structural sunt roboți de tip
TRT.
Dintre roboții aparținând acestui tip cei mai reprezentativi sunt MHU
Senior (Suedia) (fig. 22.a), Unimate (SUA), Kawasaki (Japonia). Schema
cinematică a unui astfel de robot este redată în figura 22.b.

a) MHU Senior (Suedia) b) Schema cinematică
Fig. 22 – Robot tip “Pistol “( P )
27

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
d) Roboți tip “turelă“ ( T )
Roboții industriali de tip turelă (fig. 23) au o arhitectură asemănătoare
roboților de tip pistol. Caracteristic pentru acest tip de robot este faptul că între
corpul central și braț, având construcția și mișcările similare cu cele ale
subansablului similar de la tipul pistol, se interpune un subansamblu de tip
turelă, care permite o rotație suplimentară în jurul unei axe care se gãsește într-
un plan orizonta l.
Fig. 23 – Schema cinematică a unui robot tip „turelă”
Robustețea și suplețea acestui tip de roboți este superioară celor de tip
pistol. Roboții de tip turelă sunt utilizați în aproape orice tip de aplicație având
din acest punct de vedere un caracter universal. Din punct de vedere structural
sunt roboți de tip RRT.
e) Roboți de tip “coloană” ( C )
Și acest tip de robot, ca și
cel de tip pistol și turelă, are un
braț care poate efectua o translație,
numai că aceasta este purtat de o
coloană verticală care se poate roti
și permite în același timp și o
translație pe verticală. Roboții de
tip coloană au o construcție
simplă, sunt robuști și au o bună
dexteritate. Sunt mai puțin suplii
decât cei de tip pistol și turelă. Din
punct de vedere structural schema
cinematică a unui robot coloană
este redată în figura 24.
Fig. 24 – Schema cinematică a unui
robot tip „coloană”
28

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
f) Roboți tip “cadru” ( CD )
Acest tip de roboți au o rigiditate deosebită, coloana de la tipul precedent
fiind înlocuită cu un cadru. În rest ei au structura roboților de tip coloană.
g). Roboți de tip “portal “( PO )
În cazul în care este necesară manipularea unor piese grele într-un spațiu
de dimensiuni mari se utilizează robotul tip portal. Acest tip se întâlnește
frecvent în industria de automobile. Din punct de vedere structural ei aparțin
tipului TTT.
h). Roboți de tip “cărucior”( CA )
În vederea măririi spațiului de lucru, roboții se montează pe cărucioare
care se pot deplasa liber pe șine.
Acestea sunt cele mai des utilizate arhitecturi de roboți industriali de
topologie serială. Pe lângă aspectul general, arhitectura roboților influențează în
mod direct performanțele acestora, în principal rigiditatea, forma și dimensiunile
spațiului de lucru. Astfel, roboții de tip „coloană” și „pistol” au un spațiu de
lucru cilindric, în timp ce roboții „portal” au spațiul de lucru de formă
paralelipipedică. Roboții de tip „turelă” și „braț articulat” au spațiul de lucru
sferic.
29

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Capitolul 2. Sisteme de conducere a roboților
Structura de conducere a unui robot este o structură ierarhică. Acest
principiu de conducere este datorat complexității deosebite a sistemelor ce intră
în componența robotului și a dificultăților create de sarcinile de operare impuse.
Organizarea ierarhică a sistemelor de control pentru roboți este de tip
vertical, fiecare nivel ierarhic acoperind nivelul inferior sub raportul
problemelor de conducere abordate. Un nivel de control comunică cu nivelul
imediat inferior prin instrucțiuni de control și primește de la acesta informații
caracteristice care, împreună cu deciziile furnizate de nivelul imediat superior, îi
permit să stabilească strategia viitoare de acțiune.
În general sistemele robot cuprind un număr variabil de nivele ierarhice în
funcție de complexitatea și gradul de "inteligență" al sistemului de conducere
utilizat.
Nivelul ierarhic superior îl reprezintă la roboți, ca și la alte sisteme
complexe de conducere, operatorul uman. Acesta comunică cu sistemul de
conducere sub diverse moduri, intervenind periodic numai în cazul schimbării
unor direcții strategice de conducere, situații de avarie sau în cazul apariției unor
perturbații externe neprevăzute.
Sistemul de conducere propriu-zis cuprinde patru nivele ierarhice:
1. Nivelul cel mai înalt corespunde sistemelor ce au posibilitatea
recunoașterii obstacolelor în spațiul de operare și permite luarea unor decizii
adecvate la schimbarea condițiilor de lucru.
2. Nivelul imediat inferior este denumit nivel strategic în care se produce
defalcarea operației preconizate în operații elementare.
3. Nivelul următor este denumit nivel tactic, în el producându-se
distribuirea mișcărilor elementare în mișcarea pe fiecare grad de libertate, deci,
în cadrul său generându-se efectiv traiectoriile de mișcare.
4. Ultimul nivel, nivelul inferior, este nivelul executiv, acesta coordonând
funcționarea diverselor sisteme de acționare asociate gradelor de libertate ale
robotului.
Aceste patru nivele ierarhice (figura 25) sunt întâlnite evident la roboții cu
o organizare superioară care aparțin generațiilor 2 sau 3. Roboții sau
manipulatoarele industriale uzuale ( generația 1) au sisteme de conducere cu
numai două nivele ierarhice, nivelele inferioare.
30

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Fig. 25 – Nivelele ierarhice ale sistemului de conducere
Sarcinile care stau în fața unui sistem de conducere determină o împărțire
a informațiilor de lucru în două clase: pe de o parte informații ce asigură regimul
de mișcare dorit și pe de altă parte informații ce acoperă funcția tehnologică
impusă robotului.
În figura 26, ramura din stânga corespunde informațiilor de mișcare.
Programele de mișcare cuprind elemente de bază ale algoritmilor de mișcare ce
calculează între anumite puncte, prin tehnici de interpolare, traiectoria robotului.
31

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Informația rezultată este defalcată pe axele de mișcare și servește ca
referință în acționarea efectivă a brațului mecanic.
Fig. 26 – Fluxul informațional
Acest traseu informațional este prevăzut cu 4 căi de reacție.
Reacția de tip α este o reacție obținută prin construcție mecanică și nu
afectează procesul de control al mișcării.
Reacția β asigură corecțiile necesare pentru menținerea robotului pe
traiectorie. Informația respectivă este obținută de la traductoarele de deplasare
montate pe fiecare articulație.
Calea de reacție γ asigură modificări cantitative și calitative în programele
de mișcare. Aceste modificări sunt determinate de informațiile furnizate de un
sistem senzorial adecvat care identifică modificări în structura spațiului de
operare (schimbarea poziției obiectelor, apariția unor obstacole etc.)
Reacția δ determină o gestionare internă (proprie) a programelor de
conducere în funcție de modificările survenite în procesul tehnologic și eventual
în comportarea robotului.
Ramura din dreapta a fluxului informațional (figura 26) corespunde
informațiilor ce activează elementele terminale, sistemul efector și dispozitivele
de prelucrare tehnologică.
În figura 27 sunt prezentate detaliat blocurile componente ce intervin în
prelucrarea informațională ce însoțește procesul de conducere al unui robot.
32

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Fig. 27 – Blocurile componente ce intervin în prelucrarea informațională
Legăturile externe ale sistemului sunt realizate sub forma unui dialog
către un operator local sau către un calculator ce supervizează sistemul. Prin
aceste două interfețe se obține practic o gestiune adecvată a sistemului de
programe. Programul de conducere selectat determină cele două funcții: de
mișcare și de operare tehnologică, fiecare din acestea fiind realizate prin bucle
de control proprii.
2.1. Sisteme de conducere a roboților pe bază de echipamente numerice
Flexibilitatea, fiabilitea, insensibilitea la perturbații precum și o serie de
cerințe privind facilitățile oferite la introducerea sau la modificarea programelor
de lucru sunt câteva din caracteristicile de bază ce se impun la ora actuală
echipamentelor de conducere pentru majoritatea aplicațiilor ce utilizează roboți
industriali. Într-o mare măsură, aceste cerințe sunt acoperite de automatele
programabile .
Un automat programabil este un sistem specializat destinat pentru tratarea
problemelor de logică secvențială și combinațională, simulând structurile logice
33

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
de comandă prîntr-o configurație elastică, programabilă. Prin concepția sa,
automatul programabil este adaptabil pentru funcționarea în mediu industrial,
poate opera într-o plajă largă de temperatură și umiditate, este ușor adaptabil la
interfațarea cu orice proces și nu pune probleme deosebite privind formarea
personalului de deservire datorită facilităților de programare oferite. Toate
aceste caracteristici, la care se mai pot adăuga robustețea generală a
echipamentului și prețul de cost relativ redus, fac ca automatele programabile să
constituie o pondere importantă în sistemele de conducere ale roboților
industriali.
Arhitectura generală a unui automat programabil este desfășurată în jurul
unei magistrale de date la care sunt conectate circuitele de intrare – ieșire,
unitatea centrală și memoria sistemului (figura 28).
Fig. 28 – Arhitectura generală a unui automat programabil
Variabilel e de intrare sunt realizate sub forma diverselor elemente de
comandă și măsurare incluse în sistemele operaționale și auxiliare ale roboților:
limitatoare de pozitie, mărimi mecanice de la traductoare de deplasare
incrementale sau absolute sau chiar de la sisteme de măsurare analogică după o
conversie analog-numerică.
Variabilele de ieșire dirijează acționarea elementelor de execuție de tipul
contactoarelor, electrovalvelor, elementelor de afișare, etc.
Circuitele de interfață intrare-ieșire au rolul de a converti semnalele de
intrare de diverse forme în semnale logice adaptate unitații centrale și de a
transforma semnalele logice ale unitații în semnale de ieșire corespunzătoare
acționării impusă de sistemul de forță al robotului.
Unitatea de comandă coordonează toate transformările de date furnizate
de proces, efectuează operații logice asupra datelor recepționate și asigură
alocarea corespunzătoare a rezultatelor obținute la ieșirile programate. De
34

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
asemenea, executa și o prelucrare de informație numerică de la proces, rezultatul
acestor operații condiționand starea operatorilor logici ai unității de control.
Unitatea de programare permite introducerea și definitivarea programului
în raport cu evoluția robotului și cu modificările impuse în secvențele
funcționale de bază ale acestuia. Soluțiile adoptate de proiectanți cuprind două
versiuni; o consolă autonomă cu memorie proprie sau o consolă ce opereaza
împreuna cu automatul utilizând memoria acestuia. Prima variantă oferă
avantajul unei programări simple, într-un birou de proiectare, a doua implică
cuplarea directă la automat deci implicit programarea se realizează nemijlocit în
intimitatea procesului tehnologic condus.
Unitatea centrală este, în principiu, o unitate logică capabilă să
interpreteze un număr mic de instrucțiuni care exprimă funcțiile de bază într-un
proces de conducere; instrucțiuni de evaluare a unor expresii booleeene cu
păstrarea rezultatului la o variabilă din memorie sau la o ieșire, instrucțiuni de
numărare sau temporizare, instrucțiuni aritmetice de adunare, scădere,
comparație, etc. De asemenea, pot fi utilizate instrucțiuni de salt condiționat,
instrucțiuni de subrutine și instrucțiuni de indexare.
Executarea instrucțiunilor este ciclică, ceea ce determină o simplificare
considerabila a structurii logice interne și evită introducerea unui sistem de
întreruperi prioritare. Ținănd cont de constantele de timp proprii acționării
roboților industriali, se impune ca timpul de baleaj al unui program de
conducere să fie inferior celei mai mici constante de timp. În acest fel, se asigura
preluarea tuturor informațiilor privind elementele semnificative ale mișcarii și
interpretarea lor imediată.
Memoria automatelor programabile stocheaza programe de date și este, în
generel, o memorie de dimensiune mica, între 1k și 16k cuvinte, standardizate
de obicei la 8 sau 16 biți. Memoria este segmantată în zone: una rezervată
variabilelor de intrare-ieșire, alta variabilelor ce definesc starea internă a
automatului și ultima este destinata programului ce urmează să fie executat.
O caracteristică esențială a automatelor o constituie simplitatea limbajului
de programare. O persoană, nefamiliarizartă cu tehnici specifice de informatică,
poate sa programeze usor și rapid un automat. Programarea constă într-o scriere
directă a unor secvențe de instrucțiuni sau de ecuatii plecând de la o diagramă,
organigrame de stări, expresii logice, etc. Unele automate utilizează, pentru
programare, un limbaj similar unei logici cablate, altele preferă limbaje
simbolice de tip boolean, ceea ce le conferă o suplete deosebită.
35

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
2.1.1. Sistemul de interfață automat – robot
Conectarea unui automat la dispozitivele de intrare – ieșire ale unui robot
se realizeză prin intermediul unor circuite de interfată ce asigură
compatibilitatea între tensiune și putere a semnalelor transmise. Aceste circuite
primesc de la sistemele de măsurare și senzoriale ale robotului informația de
măsurare corespunzătoare sau genereazaăcatre sistemul de acționare al acestuia
mărimile de comandă adecvate. Primul tip de circuite definește sistemul de
interfațare pe intrare al automatului, iar al doilea pe ieșire.
Mărimile transmise pot reprezenta variabile de tip secvențial sau variabile
numerice în conformitate cu structura algoritmilor de comandă utilizați și cu
modalitățile de prelucrare internă, în automat, a informației de operare. Aceste
mărimi sunt captate de la robot sau sunt transmise către acestea în mod periodic,
conform procedurii de dialogare utilizată de automat. Trebuie subliniată, înca
odata, absența unui sistem de întreruperi în structura internă a automatului ceea
ce impune interogarea periodică a mărimilor de intrare (de la robot) și activarea
tot periodicaă a canalelor de ieșire (spre robot).
Fig. 29 – Arhitectura generală a unui automat p rogramabil
Pentru realizarea unor facilități privind sistemul de adresare a acestor
variabile, mărimile corespunzătoare sunt organizate pe module, un modul
cuprinzând un număr bine precizat de variabile în corelație cu dimensiunile
magistralelor utilizate și cu mărimea câmpului de variabile.
Dialogul automat – robot poate fi realizat în trei moduri:
1) la fiecare început de ciclu program sunt achiziționate toate mărimile de
intrare, se generează toate iesirile determinate în ciclul precedent iar ulterior se
tece la execuția programului propriu-zis;
2) sunt achiziționte intâi intrările, se execută programul și se generează
ieșirile obținute după noua execuție a programului;
36

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
3) intrările și ieșirile sunt achiziționate sau generate la cerere, în
conformitate cu structura logică a programului.
I. Sistemul de interfață pe intrare
Informațiile de intrare în automat sunt reprezentate de o serie de variabile
de tipul “tot sau nimic” ce definesc anumite poziții sau stări funcționale ale
robotului precum și de variabilele numerice obținute la ieșirea traductoarelor de
deplasare. Aceste mărimi definesc, în ansamblu, cămpul de variabile de intrare
( I ) ce constituie sursa unor operanzi primari în prelucrarea ulterioară a
informației.
Selecția acestor mărimi se obține prin mai multe nivele de adresare în
funcție de numărul de intrări aplicate și modul lor de organizare. În figura 30
este prezentată o schemă generală de adresare pe doua nivele. Cei Ak biți ai
vectorului de adresă sunt defalcați în
2 1k k kA+= (1.15)
unde 1k și 2k realizează adresarea pe cele două nivele de adresa, respectiv,
activarea celor două linii de multiplexoare este controlată prin semnalele de
validare 1v și 2v.
Pentru realizarea compatibilității electrice cu magistralele automatului
semnalele primare de la intrare sunt prelucrate în circuite specializate CI.
Fig. 30 – Schemă generală de adresare pe doua nivele
Acestea asigură adaptarea de impedanța necesară, separarea galvanică a
sursei primare, traductorul, de circuitele interne ale automatului, formarea
semnalului electric în tensiune la parametrii acceptați de logică interna a
acestuia etc.
37

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Circuitul reprzentat în figura 31 constituie o configurație utilizată pe larg
în acest scop. Acesta conține un prim grup de elemente ce asigură detecția
semnalelor pozitive cu o amplitudine suficient de mare (deci eliminarea
semnalelor pozitive de amplitudine redusă), diodele D și DZ și un circuit de
filtrare de tip trece-jos, 1R, 2R, 1C. A doua parte a circuitului este obținută dîntr-
un formator cu prag de tip trier Schmit ce permite obținerea caracteristicilor
rectangulare și de nivel constant pentru semnalele prelucrate. Cele două părți
sunt cuplate printr-un element optocuplor OC ce asigură totodată separarea
galvanică fată de sursa primară.
Fig. 31 – Circuit intern al automatului
Sistemul acesta asigură transferul mărimilor de intrare pe magistrala de
date a automatului. Dacă prelucrarea logică internă a automatului este numai de
tip secvențial, magistrala de date cuprinde o singură linie pe care vehiculează
informația respectivă. În cazul în care procesorul automatului este de tip
numeric atunci magistrala cuprinde în mod curent 8 linii 7 1 0,…., D DD. Variabilele
de intrare de tip secvențial sunt preluate de linia 0D iar vectorul de intrare
numeric este transferat în paralel pe cele 8 linii ale magistralei.
Robotul poate accepta ca variabile de tip secvențial toate mărimile
generate după principiul “tot sau nimic”, deci limitatoare de poziție, limitatoare
de cap de cursă, senzori de proximitate, anumiti senzori tactili, traductoare de
forță – moment cu prag etc. Toate aceste mărimi sunt organizate pe module și
conectate direct, sau dupa câteva adaptări, la bornele de intrare ale interfeței.
Variabilele numerice provin direct din traductoarele de măsurare absolute
sau din circuitul numeric (numărătorul de impulsuri) asociat măsurii
incrementale. În această categorie pot fi incluse, de asemenea, mărimile
furnizate de traductoare senzoriale de tip analogic după conversia acestora în
mărimi numerice. Se pot enumera astfel traductoarele de deplasare de tip
potentiometric, majoritatea senzorilor tactili de tip “piele artificială”,
traductoarele de fortă – moment etc.
II. Sistemul de interfață pe ieșire
38

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Transferul datelor de la automat spre sistemul de acționare al robotului
sau spre anumite dispozitive ale instalației tehnologice se realizează prin tehnici
de demultiplexare succesivă, în funcție de numarul de variabile controlate.
Variabilele de ieșire furnizate de automat pot fi de tip secvențial pentru
acționarea unor circuite de forță cu sistem de comandă pe poartă (tiristoare,
triacuri), a unor relee intermediare, contractoare, etc., fie de tip numeric pentru
controlul unor bucle de reglare din sistemul de conducere al robotului.
În figura 32 este prezentat un sistem de interfață cu decodificarea paralel a
vectorului de adresă. Cei Ak biți de adresă fiind segmentati în două grupe cu 1k
și respectiv 2k biți. Fiecare segment servește pentru adresarea
demultiplexoarelor DMUX1, DMUX2, funcționarea în paralel a acestora
permițând selecția simultană a căilor de activare pentru circuitele ieșirilor
secvențiale și numerice. Propriu-zis, informația de ieșire veehiculată pe
magistrala de date este înscrisă în circuite de memorie de tipul bistabilelor D
(componentele secvențiale cuplate la linia 0D) și în registre de ieșire
(commponentele numerice). Activarea funcției de scriere în aceste componente
se obține prin controlul semnalului de tact cu circuitele demultiplexoare
menționate și prin semnalele de validare VM emise de magistrala de control.
Fig. 32 – Sistem de interfață cu decodificarea paralel a vectorului de adresă
Cuplarea sistemului de interfață la robot se realizează prin circuite de
ieșire specializate CE ce permit adaptarea electrică cu sistemul de acționare al
39

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
robotului, realizarea niveleului de putere solicitat de circuitele de fortă precum și
separarea galvanică a etajelor.
Circuitul este construit sub forma unui etaj amplificator de tip Darlington
(figura 33) la care comanda este dată prîntr-un element optocuplor OC. În
ieșirea amplificatorului este montată sarcina propriu-zisă, protejată la
supratensiuni prîntr-o diodă de protecție D.
Fig. 33 – Etaj amplificator de tip Darlington
Aceste configurații de circuite sunt utilizate de obicei la transferul
variabilelor de tip secvential, informațiile numerice sunt transferate direct în
circuitele de control numeric, forma acestora fiind compatibilă cu sistemele de
prelucrare utilizate în buclele de conducere numerică.
Ansamblul acestor mărimi definește câmpul variabilelor de ieșire
secvențiale E sau numerice EN. În majoritatea programelor de conducere, aceste
mărimi sunt generate la sfârsitul unor operații logice sau aritmetice și marchează
de obicei finalizarea unor secvențe funcționale. În unele cazuri, prelucrarea
logică executată într-o anumită fază necesită apelarea unor variabile de ieșire
determinate într-o fază necesită apelarea unor variabile de ieșire determinate
într-o fază anterioară. Pentru a facilita aceste operații, unele automate conțin o
memorie suplimentară (RAM) în care se înscriu valorile ieșirilor simultan cu
înscrierea în circuitele de ieșire. Se obține astfel în memorie o imagine a
mărimilor de ieșire ce poate constitui o sursă pentru operanzii implicați în
programele automatului.
2.1.2. Automate programabile cu operare scalară
Automatele din această clasă de sisteme realizează prelucrarea logică a
unor variabile secvențiale scalare a căror reprezentare numerică este redată într-
un singur bit. Aceste variabile sunt intâlnite frecvent într-o clasă largă de roboți
și manipulatoare atât ca mărimi de comandă pentru sisteme de acționare de tipul
contactelor, releelor, tiristoarelor sau electroventilelor cât și ca mărimi de
40

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
intrare, furnizte de o serie de traductoare sau senzori ce operează după principiul
“tot sau nimic”.
Din punct de vedere funcțional, aceste echipamente acoperă toate
structurile de comandă asimilabile unor automate finite combinaționale sau
secvențiale, structuri intâlnite la numeroase tipuri de roboți industriali. Toate
aceste elemente, la care se adaugă facilitațile deosebite de implementare a
programelor de conducere, robustețea echipamentului precum și prețul de cost
destul de modest fac ca automatele din această categorie să reprezinte o soluție
atractivă pentru utilizarea lor într-un sistem de conducere.
a) Structura de bază a automatelor programabile cu operare scalară
Configurația de bază a acestui automat derivă din caracteristicile generale
ale unei prelucrări scalare de informație: evaluarea rapidă a semnalelor furnizate
de robot, prelucrarea logică a acestor semnale, memorarea rezultatelor acestor
prelucrări sau generarea unor comenzi spre ieșire, către sistemul condus. În acest
sens, arhitectura acestui automat va cup rinde:
-modul de intrare-ieșire pentru interfațarea cu exteriorul;
-un procesor pentru prelucrare logică;
-blocuri de memorie pentru inmagazinarea programelor și datelor prelucrate.
Structura generală a acestui automat se poate urmări în figura 34. Toate
blocurile sistemului sunt conectate la o magistrală (linie) de date pe care
vehiculează informația de intrare-ieșire și informațiile stocate în memorie sau
prelucrate în unitațile interne ale automatului.
Fig. 34 – Structura generală a automatului programabi l
41

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Programele sunt introduse într-o memorie MP (EPROM – 4k x 16)
adresabilă de la un numărător de adrese NA. Instrucțiunile sunt transferate într-
un registru RI și decodificate în decodificatorul DI. În funcție de tipul
instrucțiunii prelucrate, un circuit de control CC asigură transferul necesar de
informație iar unitatea logică UL realizează prelucrarea logică specificată.
Sistemul conține o memorie MI (91k x 1) ce permite stocarea rezultatelor
operațiilor logice efectuate. Aceasta constituie suportul de stare pentru
implementarea modelelor de automate finite ce constituie baza algoritmilor de
conducere.
Dialogul cu exteriorul automatului este realizat cu module de interfață
pentru variabile de intrare și ieșire, de tipul celor discutate în paragraful
precedent. Sistemul cuprinde, de asemenea, un bloc de temporizare TNce
permite programarea unor regimuri de lucru dependente de o bază de timp sau a
unor funcții de contorizare a unor evenimente de la proces.
O instrucțiune a automatului are 16 biți și cuprinde trei părți principale:
1. codul operatiei;
2. câmpul variabilei apelate (operandul);
3. adresa acesteia.
12131415 DDDD 1011DD 01234 …..89 DDDDD DD
Cod operație Câmp operand Adresă operand
Primii patru biți 12 15D D− desemnează codul operației ce urmează a fi
efectuată, urmatorii biți 10 11D D− identifică câmpul operandului, variabila
respectivă putând fi o variabilă de intrare I, o variabilă de ieșire E, o variabilă
internă, din memorie M, sau o variabilă obținută prin operații de numărare –
temporizare T (Tabelul 1). Ultimii 10 biți definesc adresa efectivă a operanzilor,
deci aceste sisteme pot opera cu cel mult 1024 mărimi de intrare, ieșire și
interne.




T e TemporizarM MemorieE IeșeșiI IntrareD DSimbol operand Câmp iabilei Tipul
1 10 11 00 0 var
10 11
Tabelul 1 – Variabilele automatului
42

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Cei patru biți de cod permit selectarea a 16 operații logice, interpretarea
acestora și execuția lor fiind realizate în blocuri RI, DI și unitatea logică UL.
Unitatea logică este realizată în sistemul cu acumulator astfel incât rezultatul
fiecărei prelucrări logice este memorat într-un registru specializat, un
acumulator. Ținând cont de variabilele de tip scalar implicate în aceste operații,
rolul de acumulator îl va juca la aceste sisteme un bistabil, notat convențional
prin A (acumulator).
Prelucrarea informației continută într-o instrucțiune cuprinde un număr
bine precizat de secvențe, executate ciclic într-o succesiune impusă. Aceste
cicluri, definite în mod curent ca cicluri masină, servesc pentru structurarea
circuitelor de control, a generatoarelor de stări și de tact (GS și GT). Ținând cont
de simplitatea operațiilor realizate, un astfel de automat opereaza într-un singur
ciclu masină definit prin secvențele:
1)se extrage instrucțiunea din memorie;
2)se decodifică câmpurile instrucțiunii;
3)se extrag datele din adresele specificate ;
4)se execută operația logică specifică și se memorează rezultatul;
Ultima secvență implică memorarea rezultatului fie în bistabilul
acumulator A, fie în memorie sau în modulele ieșire și temporizare.
b) Implementarea programelor de conducre
Având ca referință configurația hardware oferită de automat și setul de
instrucțiuni al acestuia se poate trece la construirea programelor de conducere
ale unui robot. Această implementare poate fi sintetizată în câteva etape:
1)Descrierea completă a condițiilor de funcționare ale robotului,
precizarea tuturor secvențelor funcționale, a circuitelor de lucru precum și a
regimurilor specifice de operare. Trebuie prezentate detaliat toate variabilele ce
definesc poziția robotului, traductoarele utilizate, aspecte legate de calitatea
semnalelor furnizate și modul lor de interpretare. În condițiile existenței unui
sistem senzorial, trebuiesc analizate semnalele generate de acesta și modificările
impuse regimurilor de lucru normale. Se impune o analiză riguroasă a sistemului
de acționare al robotului precizându-se modalitațile de comandă, caracteristicile
semnalelor, parametrii acestora etc.
2)Analiza configurației automatului astfel încât acesta să acopere
cantitativ și calitativ funcționarea robotului. Acesta revine la stabilirea
necesarului de memorie, a dimensiunii modulelor de intrare-ieșire și a
compatibilității electrice a semnalelor. Se impune, de asemenea precizarea
condițiilor industriale de lucru ale automatului, nivelul perturbațiilor externe,
regimurile de alimentare electrice etc.
3)Elaborarea documentului sursă sub forma unei organigrame de stări
care să acopere toate condițiile formulate în etapa 1. În acest sens organigrama
trebuie să redea detaliat stările funcționale, condițiile de comutare de la o stare la
43

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
alta, mărimile de ieșire generate în fiecare stare, ciclurile, regimurile de lucru de
tip subrutina etc.
4)Se aloca variabile în automat I,E,M care să acopere semnalele de
intrare furnizate de robot, variabilele de comandă pentru sistemul de acționare al
robotului și variabilele de stare, respectiv.
5)Se scrie programul de conducere cu setul de instrucțiuni al
automatului. În principiu, această scriere trebuie să parcurgă urmatoarele etape:
a)instrucțiuni pentru inițializarea stărilor;
b)instrucțiuni pentru acoperirea fiecărei stări;
c)instrucțiuni pentru simularea tuturor traseelor logice din
organigramă.
De obicei, condițiile de inițializare impun aducerea în starea 1 logică a
variabilei din memoria M asociată stării inițiale a automatului și stergerea
tuturor celorlalate variabile de stare.
Instrucțiunile pentru acoperirea unei strări trebuie să redea toată
informația continută în această condițiile de activare a stării în momentul când
robotul intră în ea și dezactivarea acesteia când este depăsita și generarea
funcțiilor de ieșire către sistemul de comandă al robotului, specificându-se
fazele de anclasare (valoarea 1) ale acestora și de declanclașare (valoarea 0).
Aceste condiții sunt realizate prin scrierea unui set de instrucțiuni ce
implementează:
-apelarea din memorie a variabilei M ce
corespunde stării;
-ștergerea conditionată a tuturor variabilelor M
asociate stărilor ce preced starea respectivă;
-ștergerea conditionată a tuturor variabilelor de ieșire E generate în stările
precedente;
-generarea variabilei de ieșire E asociată stării.
6)Programul este introdus prin consola de programare a automatului în
memoria internă a consolei, în regim de verificare. Dupa efectuarea verificării și
corectarea eventualelor erori, acesta este introdus în memoria program pentru
utilizare.
2.1.3. Automate programabile cu operare vectorială
Complexitatea algoritmilor de conducere pentru o gamă largă de roboți și
manipulatoare, formele specifice de semnale generate de unele echipamente de
măsurare sau senzoriale ca și modalitațile caracteristice de interpretare a
acestora impun extinderea operațiilor de prelucrare de la nivel de bit la o
prelucrare aritmetică și logică de tip cuvânt, vectorială. Aceste automate sunt
realizate de obicei prin configurații de microprocesoare de 8 sau 16 biți, folosind
44

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
eficient facilitățile oferite de acestea atât în ceea ce priveste capacitatea de
memorie, operații logico-aritmetice și interfațarea cu mediul exter n.
Utilizarea unor operanzi vectoriali în aceste automate nu exclude
prelucrarea logică a unor operanzi scalari la nivel de bit. Aceste operații se
mentin în continuare întrucât foarte multe funcții de manipulare specifice unor
clase de roboți implică, pe langă controlul numeric al traiectoriei, operații logice
asupra unor mărimi secvențiale (scalare).
Din acest motiv, una din configurațiile cele mai întâlnite de automate din
aceste clase conține structura de tip biprocesor pentru operanzi scalari și unul
pentru operanzi vectoriali (numerici) cu o gestionare adecvată a resurselor
comune. O structură de acest fel este prezentată în figura 35.
Fig. 35 – Structura de tip biprocesor
Programul utilizator este realizat din instrucțiuni pe 16 biți și este rezident
într-o memorie de tip EPROM. Controlul programului este realizat de o unitate
UC ce permite avansarea pas cu pas a instrucțiunilor sau prin salt.
Instrucțiunile extrase din MP au o destinație precisă, către procesorul
scalar sau către cel numeric, în funcție de tipul acesteia. Indentificarea este
realizată pîntr-un bit, B11 în formatul fiecărei instrucțiuni.
Dacă instrucțiunea este de tip scalar ( 0 11=B), în acest caz primii patru biți
12 15 B B− ce definesc codul sunt prelucrați într-o unitate logică a procesorului
scalar iar ultimii biți sunt interpretați într-un controler.
Operațiile executate de procesor sunt de acelasi tip ca la orice automat
sacvențial, ele implicând transferuri de date și operații logice asupra unor
45

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
variabile din memoria internă MI și din modulele de intrare și ieșire scalară,
MIS și respectiv MES.
Instrucțiunile numerice sunt interpretate în unitatea centrală UC a
microprocesorului ce servește ca suport procesorului vectorial. Aceste
instrucțiuni definesc o serie de operații aritmetice și de transfer asupra unor
mărimi de format vectorial ce au ca sursă unul din canalele de intrări numerice
din MIN, o variabilă din memoria internă RAM sau ROM sau o variabilă de tip
imediat rezidentă în instrucțiuni. Destinația prelucrărilor poate fi o ieșire
numerică din MEN sau o locație din memoria internă RAM.
Trebuie subliniat faptul că, deși operațiile de prelucrare logică și
aritmetică sunt realizate de câte un procesor specializat, resursele scalare și
vectoriale ale sistemului sunt gestionate în comun. În acest sens, procesorul
numeric are acces la informațiile de tip scalar rezidente în modulele procesorului
respectiv, aceste mărimi condiționând efectuarea operațiilor aritmetice și logice.
Această gestionare se obține printr-un control eficient al vehiculării de
informație pe magistralele celor două procesoare, control realizat cu modulul IM
(interfață de magistrale).
Aceste posibilitați de apelare la resursele scalare și vectoriale permit
utilizarea unor instrucțiuni complexe în care sunt implicate ambele tipuri de
mărimi. În mod curent, variabila scalară obținută în procesorul scalar
condiționează prelucrarea logico-aritmetică din procesorul vectorial. O astfel de
variabilă este numită în mod curent “variabila martor”.
Utilizarea unor astfel de instrucțiuni facilitează implementarea unui
program de conducere întrucât acesta sintetizează atât condiția de generare a
stării sistemului la un moment dat cât și pe cea de transfer în starea urmatoare.
Setul de instrucțiuni al unui astfel de automat cuprinde în general toate operațiile
logice curente NU, ȘI, SAU, ȘI-NU, SAU-NU, SAU-EXCLUSIV efectuate
asupra unor operanzi scalari sau vectoriali precum și gama de operații aritmetice
utilizate în mod curent în implementări numerice.
Aceste instrucțiuni asigură, de asemenea, o serie de facilitați în
organizarea programelor, a ciclurilor funcționale, a programelor de inițializare și
a regimurilor de lucru de tip subrutină. În acest fel, limbajul acestor automate
constituie un suport software adecvat pentru implementarea legilor de conducere
la o gamă de roboți industriali.
De asemenea, compatibilitatea hardware la nivelul sistemelor de acționare
și de măsurare este pe deplin realizabilă prin intermediul interfețelor scalare sau
numerice prezentate mai sus.
46

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
2.2. Sisteme de conducere a roboților pe bază de controlere logice
programabile
Capitolul de față este destinat metodelor de conducere ale unor
echipamente speciale cunoscute frecvent sub denumirea de controlere logice
programabile (CLP). Schema generală a unui CLP este prezentată în figura 36.
Fig. 36 – Schema generală a unui CLP
Derivând direct din automatele programabile discutate anterior, CLP-urile
reprezintă ultima realizare în domeniul atât de diversificat al echipamentelor de
conducere pentru procese secvențiale. Proiectate inițial ca simple simulatoare ale
schemelor cu contacte și relee, aceste sisteme s-au impus în ultimii ani prin
facilitățile deosebite pe care le oferă atît proiectantului cât și utilizatorului.
Controlerele programabile sunt sisteme specializate destinate acoperirii
următoarelor funcții: procesarea datelor, memorare, transfer intrare-ieșire. Deși
indicativul "logică-programabilă" desemnează clar existența unor procesoare ce
operează scalar, în prezent aceste echipamente pot prelucra de asemenea mărimi
numerice, deci pot interveni direct în structuri de conducere numerică modelând
sau simulând bucle de reglare complexă.
47

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Un avantaj caracteristic acestor sisteme îl reprezintă posibilitatea
vizualizării programului de conducere printr-o schemă tip "contacte și relee",
reprezentare “ladder". Această reprezentare oferă programatorului un afișaj
electronic extrem de familiar, capabil să permită atât facilități de programare cât
și de urmărire a evoluției procesului condus. Aceste controlere realizează deci
fuziunea între o tehnică "arhaică" a schemelor cu contacte și metodele
moderne de procesare ale calculatoarelor numerice.
UC controlează și supervizează toate operațiile din interiorul CLP,
transferul instrucțiunilor, procesarea lor și conexiunile cu exteriorul. UC este
alimentată de la un generator cu cuarț cu frecvență între 1 și 8 MHz (în funcție
de tipul microprocesorului utilizat).
Pentru memorarea programului toate CLP-urile moderne utilizează
memorii RAM sau EPROM. Primele se folosesc pentru dezvoltările inițiale ale
programului care, după testarea completă, este înscris în EPROM. Celelalte
memorii sunt utilizate pentru stocarea unor variabile intermediare pentru
realizarea imaginilor variabilelor de intrare/ieșire și pentru memorarea unor
funcții interne: numărare, temporizare, marcare etc.
Unitățile intrare-ieșire formează interfața între structura internă a CLP și
procesul condus sau acestea vor asigura, pe de o parte izolarea CLP-ului de
exterior și compatibilitatea electrică cu exteriorul a semnalelor ce intră sau sunt
generate.
Operațiile interne și procesarea datelor în CLP sunt aceleași cu ale
oricărui microprocesor sau al automatelor programabile.
La faza fetch instrucțiunea este citită din memorie și plasată într-un
registru de instrucțiuni pentru decodificarea ei în operații interne
(microinstrucțiuni) cerute de fiecare instrucțiune particulară. Urmează faza de
execuție a instrucțiunii care implică, de obicei, o prelucrare logică asupra unei
variabile interne sau externe și stocarea rezultatului într-o locație
corespunzătoare. Este evident că un loc important în aceste operații îl joacă
achiziționarea variabilelor externe.
În general există două modalități de captare a variabilelor de intrare.
Prima procedură implică transferul datelor de la canalul de intrare specificat în
instrucțiune, prelucrarea lor și înscrierea rezultatului în canalul de ieșire dorit,
(figura 37.a). În al doilea caz, utilizat pentru sistemele cu un număr mare de
intrări/ieșiri, într-o primă fază se achiziționează într-un RAM toate variabilele de
intrare cuplate, se execută apoi întreg programul memorându-se toate rezultatele
în altă secțiune RAM și în final noile valori ale variabilelor de ieșire se trimit
pentru actualizare, în toate canalele de ieșire cuplate la CLP (figura 37.b).
48

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Fetch.decodificare
execuție
instrucțiuneAchiziționarea
variabilei de
intrareFetch.decodificare
execuție
instrucțiuneAchiziționarea
variabilei de
intrare
sµ5−
<==========>sµ3−
<==========>sµ5−
<==========>sµ3−
<==========>
a)
Copiază toate
intrările în RAMFetch.decodificare
execuție pentru întregul
programTransfer toate ieșirile
din RAM în canalele
corespunzătoare
sµ5−
<==========>sµ5− pentru 1 k programe
<==================>sµ5−
<==================>
b)
Fig. 37 – Modalități de captare a variabilelor de intrare
2.2.1. Instrucțiuni și programarea grafică a CLP
Instrucțiunile utilizate în programarea CLP se înscriu în gama uzuală a
instrucțiunilor logice având în plus caracteristici specifice rezultate din
reprezentarea grafică proprie schemelor ladder.
Diagramele ladder au fost utilizate inițial pentru reprezentarea circuitelor
electrice. Ulterior, introducerea controlerelor programabile și dorința de a
asigura utilizatorului aceleași facilități în urmărirea funcționării sau în testarea
circuitelor au impus adaptarea simbolurilor circuitelor electrice în logica
programabilă.
O diagramă ladder, în schemele electrice, este formată din două bare
verticale ce asigură potențialul electric necesar și o rețea de contacte și bobine
(figura 38.a).
În figura 38.b este prezentată o reprezentare cu o logică similară cu cea
oferită de schema electrică dar
utilizând simboluri specifice din
CLP. Deși simbolurile folosite de
diverse firme nu au o
standardizare riguroasă acestea
a) b)
Fig. 38 – Diagrama ladder 49

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
încearcă să păstreze caracterul oferit de simbolurile și conexiunile electrice din
care derivă.
Programarea CLP se poate realiza atât pe baza instrucțiunilor logice cât și
prin programare grafică utilizând simbolurile corespunzătoare. În acest caz se
permite utilizatorului să folosească simbolurile familiare din structura circuitelor
electrice. Modulul de programare translatează sau compilează aceste simboluri
grafice în instrucțiuni logice memorate în memoria RAM.
2.2.2. Organigrame de stări și Grafcet
În capitolele anterioare, implementarea sistemelor de conducere
secvențială se baza pe tehnicile oferite de organigramele (grafurile) de stări.
Acestea permiteau dezvoltarea unor metode puternice de implementare asociate
diverselor sisteme ce reprezentau suportul hardware.
În ultimii ani în literatura de specialitate, în special în cea de proveniență
franceză, s-au introdus și dezvoltat noi sisteme de reprezentare grafică a
evoluției secvențiale a proceselor, cunoscute sub denumirea de Grafcet .
Deși un Grafcet redă în esență aceleași elemente ca și o organigramă de
stări, anumite particularități de reprezentare oferă facilități atât proiectantului cât
și utilizatorului, ceea ce a dus la lărgirea ariei de utilizare și penetrarea metodei
într-un mare număr de aplicații.
Un Grafcet este un graf orientat definit printr-un cvadruplet },,,{ METS
unde:
– } ,…,,{ 2 1 NS SS S=este mulțimea secvențelor (în particular a stărilor);
– } ,…,,{ 2 1 PT TT T=este mulțimea condițiilor ce determină tranzițiile dintr-o
secvență în alta;
– } ,…,,{ 2 1 QE EE E=este mulțimea ieșirilor generate în timpul evoluției;
– } ,…,,{ 2 1 MM MM M= reprezintă o mulțime de valori binare ce desemnează
starea de activare a fiecarei secvențe. Pentru 0=im se consideră că secvența
asociată este neactivă iar pentru 1=im secvența devine activă. În mod normal o
singură secvență este activă dar pot exista situații în care procese
concurente pot determina activarea simultană a mai multor secvențe.
Simbolizarea Grafcet -ului nu este unică. În literatură se pot întâlni diverse
moduri de reprezentare.
În figura 39 este prezentată o metodă utilizată frecvent în aplicații de
conducere a proceselor industriale.
50

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
O secvență este reprezentată printr-un dreptunghi (sau un cerc) și definită
printr-un identificator de secvență. Acesteia i se asociază o variabilă, de obicei o
variabilă internă, ce reprezintă suportul fizic al secvenței.
Fig. 39 – Metodă utilizată în aplicații de conducere a proceselor industriale
Asociat identificatorului de secvență și conectat direct la acesta este
blocul ieșirilor generate în secvența respectivă. Activarea secvenței (variabilei)
înseamnă activarea tuturor ieșirilor conectate. În această reprezentare se mai
poate remarca prezența a două condiții de tranziție, prima desemnând condițiile
pentru atingerea secvenței iar a doua reprezentând condițiile pentru evoluția în
secvența următoare. Aceste condiții reprezintă fie simple variabile externe, fie
funcții logice complexe obținute prin operatori logici specializați. Conexiunile
între blocurile unui Grafcet se obțin prin linii orizontale și verticale. Liniile
verticale desemnează evoluții iar cele orizontale indică posibilități de ramificare
condiționată sau nu.
În figura 40 sunt prescurtate două diagrame, prima ca o ramificare de tip
SAU, a doua cu o ramificare ȘI.
Fig. 40 – Diagram ă cu ramnificație de tip SAU și ramnificație de tip ȘI
51

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Este evident că, în funcție de complexitatea procesului condus,
arborescența Grafcet -ului crește, în aceeași structură putând fi întîlnite atât
ramificații de tip ȘI cât și SAU precum și configurații ierarhizate corespunzând
unor anumite grade de subordonare. În figura 41 este prezentat un Grafcet cu o
astfel de structură, liniile 0A, 0B definind gradul 0 de subordonare iar liniile 1A,
1B, gradul 1.
Fig. 41 – Grafcet cu ramnificație SAU și ramnificație ȘI
și configurații ierarhizate
Un Grafcet poate fi întotdeauna echivalat cu o organigramă (graf) de stări,
complexitatea translatării fiind dată de gradul de dificultate prin care o secvență
se descompune într-una sau mai multe stări. În cele mai dese cazuri o secvență
corespunde unei stări și atunci asimilarea este simplă (figura 42).
Fig. 42 – Secvență ce corespunde unei stări
În cazurile mai complexe, fiecare secvență se înlocuiește cu un număr de
stări astfel încât să preia toată informația conținută în aceasta. Condițiile de
tranziție sînt bineânțeles păstrate.
52

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Este evident că nu se poate formula un răspuns tranșant, ambele soluții
reprezentând metode adecvate de lucru. Totuși, în cazul unor procese industriale
complexe, a căror evoluție implică un număr mare de stări, se poate recomanda
utilizarea Grafcet -ului, numărul de secvențe fiind în general mai mic decât cel al
stărilor și deci suportul fizic solicitat va fi mai redus.
Acest lucru poate fi bine ilustrat în soluțiile propuse pentru comanda unor
roboți secvențiali destinați unor funcții de manipulare la care există o diferență
mare între numărul de stări și cel al secvențelor implicate în generarea
traiectoriei.
2.2.3. Implementarea algoritmilor de reglare
Sistemele CLP echipate cu canale de intrare de tip analogic pot realiza
operații matematice asupra mărimilor de intrare achiziționate și transferă
rezultatul direct, prin modulele de ieșire, în sistemele de acționare ale
articulațiilor mecanice ale roboților. Nivelul și complexitatea algoritmului de
control depinde de viteza și capacitatea de operare a controlerului.
În mod uzual un CLP poate realiza algoritmi de reglare de timp
proporțional utilizabili în sistemele de acționare hidraulice. În sistemele de
acționare electrică un astfel de control este nesatisfacător, performanțele
realizate fiind departe de cerințele impuse. Anterior s-a pus în evidență faptul că
majoritatea aplicațiilor de conducere impun un control PID atât asupra poziției
cât și al vitezei (eventual PI). Pentru implementarea unor astfel de algoritmi se
utilizează două proceduri:
1. CLP-urile standard conțin o subrutină rezidentă în memorie ce se
apelează la cerere și se actualizează conform parametrilor impuși. Termenii
matematici necesari sunt aproximați cu o precizie rezonabilă ceea ce impune un
timp mare de procesare. În ansamblu metoda se poate aprecia ca o metodă nu
prea rapidă.
2. O soluție mai aceptabilă constă în introducerea unor module inteligente
PID ce conțin atât canalele de intrare – ieșire necesare cât și un microprocesor
specializat pentru calculul matematic aferent. Acest procesor operează în paralel
cu unitatea centrală a CLP absolvind-o de toate calculele implicate de algoritm,
acesta având rolul numai de actualizarea a parametrilor în memoria ROM a
modulului. În plus, modulul poate realiza procesări ale semnalului de intrare,
filtrare, netezire, făcându-l compatibil cu calculele matematice ulterioare.
Utilizarea algoritmilor PID printr-o diagramă ladder implică apelarea unui
meniu care specifică: valoarea prescrisă, intrarea măsurată, blocul PID apelat,
valorile numerice ale coeficienților PID precum și ieșirea utilizată.
53

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Aplicarea algoritmului PID cere definirea anterioară a mărimilor
implicate în construcția sa. Astfel, valorile numerice ale mărimilor de intrare și
ieșire se memorează în registre de date pe 16 biți D000 – D100, respectiv D200 –
D300. De asemenea coeficienții 1k,2k,3kai unui algoritm PID,
∫++=dtdxk xdtkxky 3 2 1 (1.16)
sunt memorați în trei registre succesive, pe diagramă indicându-se adresa
primului registru (D300).
În figura 43 este prezentat un exemplu de implementare PID.
Fig. 42 – Exemplu de implementare PID
În registrul D142 se înscrie valoarea numerică prescrisă, registrul D086
memorează valoarea numerică a intrării, identificatorul 012 determină blocul
PID apelat, registrele D300,D301,D302 stochează coeficienții 1k,2k,3k iar în
registrul D200 este memorată valoarea numerică a ieșirii. Pentru a fi utilizată pe
ieșire analogică, mărimea numerică este convertită într-un bloc D/A.
Majoritatea roboților și manipulatoarelor industriale operează în practică
în condiții cunoscute anticipat, funcționând ciclic în conformitate cu cerințele
tehnologice impuse. Ca urmare, este posibilă sinteza unei conduceri nominale, a
unui control programat, ce implementează mișcarea dorită pentru o stare inițială
particulară considerând că nici o perturbație nu afectează mișcarea. Un astfel de
control poate fi sintetizat utilizând modelul centralizat (global) al robotului.
Întrucât aceste modele sunt, în general, destul de precise, este de așteptat ca
traiectoria realizată de robot prin exercitarea acestui control să fie destul de
corect executată.
Sinteza acestui control este realizată, de obicei, off-line definind mai întâi
traiectoria de mișcare în conformitate cu cerințele tehnologice de funcționare ale
robotului și calculând apoi mărimile de control necesare pentru acționarea
acestuia.
Aceasta înseamnă că nivelul de control tactic se reduce la o simplă
memorare a traiectoriilor și a secvențelor de control adecvate.
Această soluție este, în general, unanim acceptată în aplicațiile industriale
ale roboților și manipulatoarelor, calculul off-line al controlului fiind realizat
într-un calculator suficient de puternic, ce acoperă un număr mare de sisteme de
54

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
conducere, în timp ce controlul efectiv al roboților la nivel executiv cade în
sarcina unor automate locale, microprocesoare sau microcalculatoare
specializate.
O problemă deosebită, în sinteza controlului la nivel tactic, apare datorită
redundanței structurii mecanice. Această problemă poate fi eliminată prin
introducerea unor criterii suplimentare care să penalizeze și să restricționeze
posibilitățile de mișcare ale robotului. În acest fel, o conducere optimă sau
suboptimală satisface pe de o parte anumite criterii de performanță și înlătură, pe
de altă parte, aspectele conducerii redundante. Evident ca o astfel de tratare
presupune o abordare la nivele ierarhice superioare, algoritmii respectivi
necesitând un suport hardware și software substanțial.
Complexitatea modelelor matematice ale întregii structuri mecanice face,
de cele mai multe ori, improprie implementarea unor algoritmi de conducere. În
acest caz, este preferată decuplarea modelului în subsisteme, în mod normal
fiecărei articulații (sau a unei grupe de articulații) asociindu-i-se un subsistem.
Legea de conducere este determinată din condițiile de stabilizare locală a
fiecărui subsistem ceea ce nu conduce întotdeauna la o comportare satisfăcătoare
pe ansamblul problemei de conducere. În astfel de situații se introduc
suplimentar bucle de reacție globală care să îmbunătățească performanțele
dinamice ale sistemului. Noua configurație de conducere obținută poate deveni
atât de complexă încât decuplarea realizată în prima fază își pierde sensul.
Cu toate aceste neajunsuri, tehnica decuplării poate fi utilizată cu succes
dacă se ține cont de faptul că, în condițiile definirii fiecărui grad de libertate ca
un subsistem propriu, cuplajul între subsisteme este determinat de forțele și
momentele in articulație. Este posibil sa se elimine interacțiunea dintre
subsisteme prin introducerea unor bucle de compensare adecvate. Această
metodă prezintă inconvenientul utilizării unor traductoare forță – moment, în
general traductoare pretențioase, costisitoare. Cu toate acestea, procedura este
atractivă datorită, în special, utilizării unor algoritmi de conducere mult mai
simpli decât în varianta clasică.
Conducerea roboților prin măsurarea forțelor-momentelor se impune de
asemenea în operațiile de asamblare când robotul vine în contact direct cu
anumite obiecte. În acest caz, conducerea prin controlul forței permite o mai
bună adaptare la fluctuațiile parametrilor spațiului de operare realizând totodată
performanțe dinamice satisfăcătoare.
2.3. Sisteme de conducere a roboților pe bază de microcontrolere
55

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Circumstanțele în care ne găsim astăzi în domeniul microcontrolerelor și-
au avut începuturile în dezvoltarea tehnologiei circuitelor integrate. Această
dezvoltare a făcut posibilă înmagazinarea a sute de mii de tranzistoare într-un
singur cip. Aceasta a fost o premiză pentru producția de microprocesoare, și
primele calculatoare au fost făcute prin adăugarea perifericelor ca memorie, linii
intrare-ieșire, timer-i și altele. Următoarea creștere a volumului capsulei a dus la
crearea circuitelor integrate. Aceste circuite integrate conțin atât procesorul cât
și perifericele. Așa s-a întâmplat cu primul cip conținând un microcalculator, sau
ce va deveni cunoscut mai târziu ca microcontroler.
Microcontrolerul este un dispozitiv electronic complex care integrează, pe
lângă unitatea centrală de procesare (microprocesor), memorie, linii de
intrare/ieșire, comparatoare, numărătoare, seriala, etc.
Scrierea programului se realizează de obicei într-un editor ce permite
salvarea liniilor de comandă introduse. Există mai multe opțiuni pentru scrierea
programului de control al aplicației și anume cod mașină, limbaj de asamblare,
sau limbaj de nivel înalt, în funcție de viteza de execuție dorită, lungimea
memoriei disponibile, etc. Comenzile recunoscute de microcontroler sunt cele
binare (cod mașină). Limbajul de asamblare este mai evoluat, conține
instrucțiuni ce sunt ușor de reținut, și pentru transformarea acestora în cod
mașină avem nevoie de un compilator. Limbajul de nivel înalt simplifică
programarea permițând scrierea într-un rând sau în câteva rânduri a ceea ce ar
necesita multe linii de program în limbaj de asamblare.
De asemenea, se poate utiliza un limbaj ca C, Pascal, Basic pentru o gamă
mai largă de microcontrolere, folosind aceleași instrucțiuni, în comparație cu
limbajul de asamblare unde instrucțiunile pot fi diferite chiar pentru aceeași
clasă de microcontrolere.
După scrierea programului este necesară testarea acestuia. Chiar dacă
microcontrolerul este de tip flash și poate fi rescris în caz că programul nu
funcționează, este preferabilă eliminarea erorilor de programare înainte de
conectarea lui în circuit. Instrumentele de testare sunt simulatoarele și
emulatoarele.
Simulatorul este un soft care rulează pe un calculator personal și
utilizează monitorul pentru a demonstra ce se poate întampla într-un
microcontroler la rularea programului. Se pot vedea conținutul memoriei, starea
liniilor de port, se poate rula programul pas cu pas și se pot vedea modificările
regiștrilor.
56

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Emulatoarele sunt dispozitive hard care înlocuiesc microcontrolerul din
dispozitivul de testat. Ca și simulatoarele, permit controlul execuției
programului și monitorizarea a ceea ce se întamplă la fiecare pas al programului.
Microcontrolerul diferă de un microprocesor în multe feluri.
În primul rând și cel mai important este funcționalitatea sa. Pentru a fi
folosit, unui microprocesor trebuie să i se adauge alte componente ca memorie,
sau componente pentru primirea și trimiterea de date. Pe scurt, aceasta înseamnă
că microprocesorul este inima calculatorului. Pe de altă parte, microcontrolerul
este proiectat să fie toate acestea într-unul singur. Nu sunt necesare alte
componente externe pentru aplicarea sa pentru că toate perifericele necesare sunt
deja incluse în el. Astfel, economisim timpul și spațiul necesare pentru
construirea de aparate.
2.3.1. Elementele de bază ale microcontrolerului
a) Unitatea de memorie
Memoria este o parte a microcontrolerului a cărei funcție este de a
înmagazina date. Cel mai ușor mod de a explica este de a-l descrie ca un dulap
mare cu multe sertare. Dacă presupunem că am marcat sertarele într-un
asemenea fel încât să nu fie confundate, oricare din conținutul lor va fi atunci
ușor accesibil. Este suficient să se știe desemnarea sertarului și astfel conținutul
lui ne va fi cunoscut în mod sigur.
Componentele de memorie sunt exact așa. Pentru o anumită intrare
obținem conținutul unei anumite locații de memorie adresate și aceasta este
totul. Două noi concepte ne sunt aduse: adresarea și locația de memorie.
Memoria constă din toate locațiile de memorie, și adresarea nu este
altceva decât selectarea uneia din ele. Aceasta înseamnă că noi trebuie să
selectăm locația de memorie la un capăt, și la celălalt capăt trebuie să așteptăm
conținutul acelei locații. În afară de citirea dintr-o locație de memorie, memoria
trebuie de asemenea să permită scrierea în ea. Aceasta se face prin asigurarea
unei linii adiționale numită linie de control. Vom desemna această linie ca R/W
(citește /scrie). Linia de control este folosită în următorul fel: dacă r/w=1, se face
citirea, și dacă opusul este adevărat atunci se face scrierea în locația de memorie.
b) Unitatea de procesare centrală
Se adaugă alte 3 locații de memorie pentru un bloc specific ce va avea o
capabilitate incorporată de înmulțire, împărțire, scădere și se mutăm conținutul
dintr-o locație de memorie în alta. Partea tocmai adăugată este numită "unitatea
de procesare centrală" (CPU). Locațiile ei de memorie sunt numite regiștri.
57

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Regiștrii sunt deci locații de memorie al căror rol este de a ajuta prin
executarea a variate operații matematice sau a altor operații cu date oriunde se
vor fi găsit datele.
Se consideră două entități independente (memoria și CPU) ce sunt
interconectate, și astfel orice schimb de informații este ascuns, ca și
funcționalitatea sa. Dacă, de exemplu, se adaugă conținutul a două locații de
memorie și se întoarce rezultatul înapoi în memorie, este nevoie de o conexiune
între memorie și CPU, adică, trebuie să existe o anumită "cale" prin care datele
circulă de la un bloc la altul. Calea este numită "bus"- magistrală.
c) Bus-ul
Fizic, bus-ul reprezintă un grup de 8, 16, sau mai multe fire. Există două
tipuri de bus-uri: bus de adresă și bus de date. Primul constă din atâtea linii cât
este cantitatea de memorie ce dorim să o adresăm, iar celălalt este atât de lat cât
sunt datele, în cazul nostru 8 biți sau linia de conectare. Primul servește la
transmiterea adreselor de la CPU la memorie, iar cel de al doilea la conectarea
tuturor blocurilor din interiorul microcontrolerului.
În ceea ce privește funcționalitatea, situația s-a îmbunătățit, dar o nouă
problemă a apărut deasemenea: există o unitate ce este capabilă să lucreze
singură, dar ce nu are nici un contact cu lumea de afară. Pentru a înlătura această
deficiență, se adaugă un bloc ce conține câteva locații de memorie al căror
singur capăt este conectat la bus-ul de date, iar celălalt are conexiune cu liniile
de ieșire la microcontroler ca pini la componenta electronică.
d) Unitatea intrare-ieșire
Aceste locații sunt numite "porturi". Sunt diferite tipuri de porturi: intrare,
ieșire sau porturi pe două-căi. Când se lucrează cu porturi, mai întâi de toate este
necesar să se aleagă cu ce port urmează să se lucreze, și apoi să se trimită date,
sau să se ia
date de la port.
Când se lucrează cu el, portul se comportă ca o locație de memorie. Ceva
este scris în el sau citit din el, și este posibil de a remarca ușor aceasta la pinii
microcontrolerului.
e) Comunicația serială
Cu aceasta se adaugă la unitatea deja existentă posibilitatea comunicării
cu lumea de afară. Totuși, acest mod de comunicare are neajunsurile lui. Unul
din neajunsurile de bază este numărul de linii ce trebuie să fie folosite pentru a
transfera datele. Se presupune că lucrăm doar cu 3 linii, și că o linie este folosită
pentru trimiterea de date, alta pentru recepție și a treia este folosită ca o linie de
referință atât pentru partea de intrare cât și pentru partea de ieșire.
58

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Pentru ca aceasta să funcționeze, trebuie să se stabilească regulile de
schimb ale datelor. Aceste reguli sunt numite „protocol”.
Protocolul este de aceea definit în avans ca să nu fie nici o neînțelegere
între părțile ce comunică una cu alta. Să presupunem că avem următorul
protocol: unitatea logică "1" este setată pe linia de transmisie până ce începe
transferul. Odată ce se începe transferul, se coboară linia de transmisie la "0"
logic pentru o perioadă de timp (desemnată ca T), așa că partea receptoare va ști
că sunt date de primit, așa că va activa mecanismul ei de recepție. Ne întoarcem
acum la partea de transmisie și începem să punem „zero”-uri și „unu”-uri pe
linia de transmisie în ordinea de la un bit a celei mai de jos valori la un bit a
celei mai de sus valori. Lăsăm ca fiecare bit să rămână pe linie pentru o perioadă
de timp egală cu T, și la sfârșit, sau după al 8-lea bit, să aducem unitatea logică
"1" înapoi pe linie ce va marca sfârșitul transmisiei unei date. Protocolul ce
tocmai l-am descris este numit în literatura profesională NRZ (Non-Return to
Zero).
Pentru că avem linii separate de recepție și de transmitere, este posibil să
recepționăm și să transmitem date (informații) în același timp. Blocul așa numit
full-duplex mode ce permite acest mod de comunicare este numit blocul de
comunicare serială. Spre deosebire de transmisia paralelă, datele sunt mutate aici
bit cu bit, sau într-o serie de biți, de unde vine și numele de comunicație serială.
După recepția de date trebuie să le citim din locația de transmisie și să le
înmagazinăm în memorie în mod opus transmiterii unde procesul este invers.
Datele circulă din memorie prin bus către locația de trimitere, și de acolo către
unitatea de recepție conform protocolului.
f) Unitatea timer
Acum că există comunicația serială, se poate recepționa, trimite și procesa
date. Totuși, pentru ca să se poată folosi în industrie, mai este nevoie de câteva
blocuri. Unul din acestea este blocul „timer” care este important pentru că dă
informația de timp, durată, protocol etc. Unitatea de bază a timer-ului este un
contor liber (free-run) care este de fapt un registru a cărui valoare numerică
crește cu unu la intervale egale, așa încât luându-i valoarea după intervalele
T1 și T2 și pe baza diferenței lor să se poată determina cât timp a trecut. Acesta
este o parte foarte importantă a microcontrolerului al cărui control cere cea mai
mare parte a timpului.
g) Watchdog-ul
Încă un lucru ce necesită atenție este funcționarea fără defecte a
microcontrolerului în timpul funcționării. Se presupune că urmare a unei
59

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
anumite interferențe (ce adesea se întâmplă în industrie) microcontrolerul se
oprește din executarea programului, sau începe să funcționeze incorect.
Pentru a depăși acest obstacol, este nevoie să se introducă încă un bloc
numit „watchdog” (câinele de pază). Acest bloc este de fapt un alt contor liber
(free-run) unde programul trebuie să scrie un zero ori de câte ori se execută
corect. În caz că programul se "înțepenește", nu se va mai scrie zero, iar contorul
se va reseta singur la atingerea valorii sale maxime. Aceasta va duce la rularea
programului din nou, și
corect de această dată pe toată durata. Acesta este un element important al
fiecărui program ce trebuie să fie fiabil fără supravegherea omului.
h) Convertorul Analog-Digital
Pentru că semnalele periferice sunt substanțial diferite de cele pe care le
poate înțelege microcontrolerul (zero și unu), ele trebuie convertite într-un mod
care să fie înțeles de microcontroler. Această sarcină este îndeplinită de un bloc
pentru conversia analog-digitală sau de un convertor AD. Acest bloc este
responsabil pentru convertirea unei informații despre o anumită valoare
analogică într-un număr binar și pentru a o urmări pe tot parcursul la un bloc
CPU așa ca blocul CPU să o poată procesa.
Astfel microcontrolerul este acum terminat, și tot ce mai rămâne de făcut
este de a-l pune într-o componentă electronică unde va accesa blocurile
interioare prin pinii exteriori. Imaginea de mai jos arată cum arată un
microcontroler în interior.
Fig. 43 – Configurația fizică a interiorului unui microcontroler
Liniile subțiri ce merg din interior către părțile laterale ale
microcontrolerului reprezintă fire conectând blocurile interioare cu pinii capsulei
microcontrolerului.
60

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Schema din figura 44 reprezintă secțiunea centrală a microcontrolerului.
Fig. 44 – Schița microcontrolerului cu elementele lui de bază și
conexiunile sale interne
Pentru o aplicație reală, un microcontroler singur nu este de ajuns. În
afară de microcontroler, este nevoie de un program pe care să-l execute, și alte
câteva elemente ce constituie o interfață logică către elementele de stabilizare.
i) Programul
Scrierea programului este un domeniu special de lucru al
microcontolerului și este denumit "programare". Programarea poate fi făcută în
câteva limbaje ca: Assembler, C și Basic care sunt cele mai folosite limbaje.
Assembler aparține limbajelor de nivel scăzut ce sunt programate lent, dar
folosesc cel mai mic spațiu în memorie și dă cele mai bune rezultate când se are
în vedere viteza de execuție a programului. Programele în limbajul C sunt mai
ușor de scris, mai ușor de înțeles, dar sunt mai lente în executare decât
61

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
programele în Assembler. Basic este programul cel mai ușor de învățat, și
instrucțiunile sale sunt cele mai aproape de modul de gândire a omului, dar ca și
limbajul de programare, C este de asemenea mai lent decât Assembler-ul.
După ce este scris programul, se instalează microcontrolerul într-un aparat
și este lăsat să lucreze. Pentru a face aceasta, trebuie să se adauge câteva
componente externe necesare pentru funcționarea sa. Mai întâi se conectează
microcontrolerul și oscilatorul la o sursă. Bazat pe ceasul său, microcontrolerul
execută instrucțiunile programului. Îndată ce este alimentat microcontrolerul, va
executa un scurt control asupra sa, se va uita la începutul programului și va
începe să-l execute.
Există la ora actuală un numar foarte mare de tipuri constructive de
microcontrolere. Un criteriu de clasificare care se poate aplica întotdeauna este
lungimea (dimensiunea) cuvântului de date. Funcție de puterea de calcul dorită
și de alte caracteristici, se pot alege variante având dimensiunea cuvântului de
date de: 4, 8, 16, sau 32 de biti.
Nu este obligatoriu ca dimensiunea cuvântului de date să fi egală cu
dimensiunea unui cuvânt mașină. Exista și multe variante zise dedicate
(specializate prin intermediul codului preprogramat și al resurselor hard) pentru
comunicație, controlul tastaturilor, controlul aparaturii audio–video , prelucrarea
numerică a semnalului, etc.
Practic, cea mai mare parte a microcontrolerelor se realizează la ora
actuală în tehnologie CMOS (tehnologii similare seriilor standard CMOS de
circuite numerice HC, AC, ALV). Se pot realiza astfel structuri cu un consum
redus (care depinde de frecvența de lucru), permițând eventual alimentarea de la
baterie.
Logica internă este statică (total, sau în cea mai mare parte) permițând
astfel, în anumite condiții, micșorarea frecvenței de ceas sau chiar oprirea
ceasului în ideea optimizării consumului.
Tehnologia este caracterizată și de o imunitate mai mare la perturbații,
esențială într- un mare număr de aplicații specifice.
Se realizează și variante pentru domeniu extins al temperaturii de
funcționare
(de exemplu –40… +85 °C).
Există diverse variante de încapsulare (plastic și mai rar ceramică), multe
destinate montării pe suprafața (SMT) : DIP (de la 8 la 68 pini), SOIC, PLCC,
PQFP,
TQFP (> 100 pini), etc.
62

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
2.3.2. Structuri robotice comandate cu microcontrolere
Definirea task-urilor pe care structura proiectată trebuie să le
îndeplinească, creează numai cadrul abordării problematicii controlului.
Concentrarea efortului proiectantului asupra realizării dezideratelor referitoare la
modul de deservire a unei sarcini de lucru din partea robotului va trebui să
realizeze o balanță între utilizarea unui model cât mai exact al structurii
robotice, care să înglobeze majoritatea fenomenelor fizico-chimice ce au loc în
cadrul sistemului robot, alături de viteza de decizie și de prelucrare a datelor
obținute în urma interacțiunii robotului cu mediul.
Sintetizând afirmațiile anterioare, problema controlului consta în
determinarea evoluției temporale a end-effector-ului astfel încât acesta să
execute mișcarea sau ansamblul mișcărilor comandate în cadrul task-ului.
Pe de altă parte, structura mecanică, la rândul sau, impune o anumită
influență asupra structurilor de control alese, fără a mai specifica influența
complexă pe care o are alegerea tipului de mișcare a robotului între sursă și
țintă.
Aceste elemente impun un balans între structura hard și structura soft
(hardware/software trade-off), care să corespundă cel mai bine cerințelor
beneficiarului.
Un alt aspect care influențează în mare măsura tipul arhitecturii de control
alese, este tipul acționării.
Microcontrolerul poate fi inclus perfect în aplicații de comandă a roboților
mobili, industria automobilelor, controlul motoarelor, senzori de consum redus,
chei electronice, controlul frecvenței receptoarelor etc.
Realizarea unui sistem robotic miniatural cu abilități de reconfigurare și
automultiplicare, presupune existența unui sistem de comandă și control
performant și flexibil. O structură ierarhizată formată dintr-un PC și o serie de
microcontrolere este reprezentată în figura 45.
Fig. 45 – Structură ierarhizată de comandă și control a robotului
63

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Așa cum se observă din figura 45, calculatorul PC este cel care comandă
întreg sistemul. Microcontrolerele sunt elementele efective de comandă și
control care își îndeplinesc acest rol prin intermediul senzorilor și a elementelor
de execuție. Sistemul propus presupune asigurarea unei comunicații eficiente
între componentele sale.
Structura prezentată este una de principiu care urmează a fi
particularizată în funcție de nevoile de comandă și control ale minirobotului ce
urmează a fi proiectat cum ar fi: performanțele PC-ului, tipul și numărul
microcontrolerelor, a senzorilor și a elementelor de execuție precum și a tipului
de comunicație ales.
Între PC și microcontrolere se impune a avea posibilitatea unei
comunicații serie sincrone sau asincrone la o viteză nu prea mare, având în
vedere volumul de date ce se preconizează a fi transferat.
Între microcontrolere și senzori respectiv elementele de execuție pot fi
asigurate transferuri de date programate ca sau fără confirmare, iar în cazul unor
senzori inteligenți poate fi implementat un sistem de transfer de date prin
întreruperi.
La alegerea componentelor sistemului mai trebuie avut în vedere și faptul
dacă comunicație dintre componentele sistemului se realizează pe cablu s-au
fără cablu (Wireless).
În prima variantă rețeaua de microcontrolere se va interconecta prin
implementarea sistemului de comunicații cunoscut sub denumirea I2C, ce va fi
descris ulterior. În cazul în care se optează pentru varianta de comunicații fără
fir, vor trebui alese componente (PC, microcontrolere, senzori și elemente de
execuție) care să aibă HW necesar pentru a putea lucra într-o rețea Wireless
după standardul de comunicații IEEE 802.15.4 respectiv Zigbee.
Varianta clasică, prin cablu, are avantajul unui cost redus, a simplității
protocoalelor utilizate și dezavantajul de a fi greu de realizat între componente
aflate în mișcare.
Soluția Wireless reprezintă alternativa către care tind majoritatea
sistemelor actuale, presupune utilizarea unor componente care să aibă HW
necesar implementării standardului de comunicații IEEE 802.15.4, deci vor fi
mai scumpe dar cu avantajul unei flexibilități mai mari și a posibilității de a
putea fi aplicate unor sisteme care au componente în mișcare.
Alegerea unuia sau alteia din variante precum și gradul de complexitate
al sistemului vor depinde de structura concretă a minirobotului precum și a
aplicației avută în vedere cu impunerea unor eventuale restricții legate de
costuri și putere consumate. Nu trebuie exclusă nici posibilitatea realizării unor
64

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
structuri mixte-parțial pe cablu și parțial wireless dacă acestea vor prezenta
interes pentru o anume aplicație.
Majoritatea roboților fabricați până în prezent au un singur scop, și
anume acela de a realiza o anumită sarcină utilă. Acești roboti pot realiza foarte
bine și cu destul de puține resurse sarcinile pentru care au fost proiectați dar, din
păcate, se comportă destul de modest atunci când sunt utilizați pentru alte
aplicații decât cele prevăzute inițial prin construcție.
Toate aceste caracteristici sunt acceptabile dacă avem de-a face cu un
mediu de lucru structurat, în care fiecare sarcină este bine delimitată. Din păcate,
ultimele evoluții au arătat necesitatea proiectării unor roboți care pot opera în
mod autonom, într-un mediu nestructurat. Acești roboți trebuie să fie capabili să
își schimbe singuri forma pentru a se adapta ei înșiși atât la mediul de lucru în
care operează cât și la operația pe care trebuie să o realizeze.
Astfel de roboți, care se pot adapta simultan atât la mediul de lucru cât și
la tipul operației pe care urmează să o efectueze se numesc roboți auto-
reconfigurabili (AR).
Un robot auto-reconfigurabil se compune dintr-un set de module robotice
care se pot reconfigura geometric (atât autonom cât și dinamic) într-o varietate
de forme pentru a se putea adapta cel mai bine mediului de lucru (terenului) cât
și sarcinii pe care trebuie să o îndeplinească.
65

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Capitolul 3. Studiul unui Robot TRR
3.1. Structura mecanica si organologica
Sistemul mecanic al roboților industriali corespunde brațului și mâinii
umane (figura 46). Sistemul mecanic este constituit dintr-un lanț cinematic
format din elemente rigide interconectate prin cuple de rotație sau translație care
permit mișcarea lor relativă. Capătul inferior al lanțului cinematic este fixat în
batiu, iar capul superior susține mâna robotului respectiv dispozitivul de
prehensiune sau sculă sau gripper.
Se urmărește ca structura mecanică să asigure:
– O mobilitate cât mai mare (determinat de antropomorfism);
Antropomorfismul se definește ca fiind asemănarea dintre caracteristicile
brațului robotic și brațul omului.
– Greutate cât mai mică,
– Suplețe;
– Randament energetic ridicat.
Fig.46 Sistemul mecanic al robotilor industriali
Efectorul final solidarizează obiectul manipulat de un element al lanțului
cinematic de ghidare.
Lanțul cinematic de ghidare realizează deplasarea efectorului final dintr-o
poziție în alta, generează o anumită traiectorie în concordanță cu cerințele
procesului tehnologic în care se integrează.
În spațiul tridimensional un corp material are 6 grade de libertate.
Deplasarea dintr-o poziție în alta, bine determinată, este posibilă prin
modificarea convenabilă a tuturor celor 6 parametri scalari. Lanțul cinematic de
ghidare ar trebui să aibă 6 grade de mobilitate. Lanțul cinematic de ghidare este
un lanț cinematic deschis (figura 47). Toate părțile din care este construită
structura mecanică a unui robot se consideră generică de elemente presupuse
solide rigide (numerotate de la 0 la 4). Posibilitatea mișcărilor relative ale
elementelor se asigură prin legăturile dintre acestea numite cuple cinematice
66

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
(notate cu A; B; C ). Se poate considera că numărul gradelor de libertate (identic
cu numărul gradelor de mobilitate) este egal cu numărul cuplelor cinematice de
rotație sau de translație.
Fig. 47 Robotul TRR studiat
Fig. 48 Imagine 3D a robotului TRR studiat
67

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Fig. 49 Exemple de cuple cinematice la robotul TRR
Punctul obiectului manipulat, arbitrar ales, utilizat la stabilirea legilor de
distribuție a vitezelor și accelerațiilor, în scopul mișcării generale spațiale a
corpului prins în dispozitivul de prehensiune se numește punct caracteristic
(figura 50).
Fig. 50 Punctul obiectului manipulat
68

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
O dreaptă care aparține obiectului manipulat și trece prin punctul
caracteristic, folosită pentru descrierea mișcării, poartă denumirea de dreaptă
caracteristică (DC – d1). Punctul caracteristic este un punct virtual ales de
proiectant pentru studiul mișcării mecanismului generator de traiectorie. Acest
punct se alege pe axa longitudinală a ultimului element al lanțului cinematic la
încheietura mâinii pe sculă (figura 51).
Fig. 51 Punctul caracteristic
Partea lanțului cinematic de ghidare care realizează modificarea poziției
punctului caracteristic (PC) reprezintă mecanismul generator de traiectorie. În
principiu acesta trebuie să aibă gradul de mobilitate 3, realizând modificarea
celor 3 coordonate carteziene ale punctului caracteristic. Acea parte a
dispozitivului de ghidare care servește la orientarea dreptei caracteristice d1,
după o succesiune de direcții impuse, se numește mecanism de orientare.
Mecanismul de orientare în principiu are tot 3 grade de mobilitate.
Deci dispozitivul de ghidare trebuie să aibă minimum șase grade de
libertate pentru a realiza poziționarea și orientarea unui corp (piesă sau sculă ) în
spațiu. În anumite cazuri particulare el poate să aibă și mai puțin de șase grade
de libertate (ca în cazul corpurilor cilindrice , când un grad de libertate nu-și mai
justifică existența datorită simetriei față de axa cilindrului, situație în care cinci
grade de libertate sunt suficiente ) sau mai mult de șase grade de libertate atunci
când robotul trebuie să execute anumite operații care necesită o mare
versatilitate (ca în cazul vopsirii). În marea majoritate a cazurilor dispozitivul de
ghidare este constituit dintr-un lanț cinematic deschis dar există și situații când
se combină un lanț cinematic închis (patrulater articulat) cu unul deschis.
3.2. Structura cinematica
Structura unui sistem de control a mi cării a evidentiat faptul ca cel mai ș
utilizat element in blocul de ac ionare este motorul electric rotativ. În cosecin ă, ț ț
69

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
în studiul elementelor de mecanică a sistemelor de control al mi cării vom porni ș
la studiul for elor i momentelor actionând la nivelul arborelui acestui motor. ț ș
3.2.1. For e i momente ale robotului TRR studiat ț ș
m2=0.2kg
m3=0.4kg
m4=0.2kg
mA=0.5kg
mB=1.1kg
mC=0.7kg
L2=0.22m
L3= 0.5m
L4= 0.22m
Fig. 52 Schema cinematica a robotului TRR
Calculul momentelor i for elor robotului TRR ș ț :
Masa totala pe motorul C = m 4=0.2kg
Forta pe bratul 4 = F 4=9.81*0.2= 19.6 N
Momentul pe motorul C = L4*F4 = 0.22m*19.6 N= 4.312 Nm
Masa totala pe motorul B = m 4+ m3+ mC= 0.2kg+0.4kg+0.7kg = 1.3 Kg
Forta pe bratul 4 = F3=9.81*1.3Kg= 127.75 N
Momentul maxim pe motorul B = (L3+L4)*F3 = 0.72m*127.75 N= 91.98
Nm ~ 92 Nm momentul necesar pentru motorul B
Masa totala pe banda :
ms = mA+ m 2+ m3+ m4+ mC+ mB = 0.5 + 0.2 + 0.4 + 0.2 + 0.7 + 1.1=
3.1 Kg
70

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Banda transportoare a robotului TRR
Semnifica iile nota iilor de mai sus sunt: ț ț
– deplasarea unghiulară a motorului [rad];
– viteza unghiulară a motorului [rad/s];
– viteza unghiulară a motorului [rad/s2];
– deplasarea liniară a sarcinii [m];
– deplasarea liniară a sarcinii [m/s];
71

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
– accelera ia liniară a sarcinii [m/s ț2];
– viteza unghiulară a sarcinii;
– momentul de inertie axial al motorului [kg m2];
– momentul de inertie axial al sarcinii [kg m2];
– momentul de inertie total echivalent raportat la arborele motorului [kg
m2];
– momentul de inertie axial al sarcinii raportat la arborele motorului
[kg m2];
– momentul de inertie axial al angrenajului [kg m2];
– momentul de inertie axial al ro ii de curea 1[kg m ț2];
– momentul de inertie axial al ro ii de curea 2 [kg m ț2];
– randamentul benzii transportoare;
– circumferin a ro ii 1 de antrenare a benzii transportoare [m]; ț ț
– numărul de din i al ro ii 1 de antrenare a benzii transportoare; ț ț
– diametrul ro ii 1 de antrenare a benzii transportoare [m]; ț
– diametrul ro ii 2 de antrenare a benzii transportoare [m]; ț
– diametrul ro ii 3 de antrenare a benzii transportoare [m]; ț
– masa sarcinii [kg];
– masa benzii transportoare [kg];
– masa curelelor [kg];
– for a rezistentă tehnologică [N]; ț
– for a frecare [N]; ț
– for a de iner ie [N]; ț ț
Elemente de cinematic a mi cării ș
După cum s-a precizat în capitolul precedent, în cazul deplasărilor de pe o
singura axă, profilul trapezoidal de viteză este cel mai utilizat datorită
compromisului pe care acesta îl oferă, eviden iat de următoarele aspecte: ț
– din punct de vedere termic, caldura dezvoltată de motor este mai mică
decât în cazul profilului triunghiular, dar mai mare în cazul profilului parabolic;
– din punct de vedere al u urintei de generareprofilul trapezoidal de viteză ș
este mai u or de generat decât cel parabolic, regasindu-se ca standard în toate ș
sistemele industriale de tip controller de mi care; ș
– profilul trapezoidal este mai dezavantajos decât cel parabolic datorită
apari iei fenomenului de „smucitură” (derivate accelera ieiare valoare infinită), ț ț
72

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
fapt eliminat în cazul utilizării unor profiluri de viteză de tip parabolic sau de
grad mai mare.
În figura 53 este prezentată diagrama de varia ie a vitezei în cazul ț
profilului trapezoidal de vitezp pe care s-au eviden iat: ț
Viteza maximă atinsă pe ciclu;
Perioada de accelerare;
Perioada de deplasare cu viteză constantă;
Perioada de decelerare;
Durata ciclului;
Considerând accelera ia egală în valoare absolută pe fazele de accelerare, ț
respectiv decelerare i de asemenea considerând timpii ș
i ș
egali, se pot
eviden ia următoarele două rela ii între parametrii cinematici ai mi cării după un ț ț ș
profil trapezoidal:
73

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
unde:
– accelera ia, egală ca valoare absolută pe fazele de accelerare, ț
respective decelerare;
– spa iul parcurs pe perioada de accelerare; ț
– spa iul parcurs pe perioade de decelerare; ț
– spa iul parcurs pe perioada de deplasare cu viteză constantă; ț
În figura 53 sunt prezentate formele de varia ie ale parametrilor cinematic ț
(viteză, spa iu, accelera ie) atât pentru un profil trapezoidal de viteză cât si ț ț
pentru un profil parabolic de viteză.
Pe baza legilor mecanicii, relatii de legătură între parametrii cinematic pot
fi deduse cu relativă u urin ă i pentru profilul parabolic. ș ț ș
3.3. Acționarea Robotului TRR
Sistemul de actionare al unui robot cuprinde totalitatea surselor energetice
ale robotului precum si elementele de control direct ale acestora. În acest sens,
prin sistem de actionare se va întelege ansamblul motoarelor si convertoarelor
prin care se obtine energia mecanica necesara deplasarii robotului precum si
dispozitivele suplimentare ce controleaza acest transfer energetic.
Un astfel de sistem va cuprinde :
– o sursa primara de energie ;
– un sistem de conversie al energiei primare în energie mecanica ;
– un sistem pentru transmisia energiei mecanice la articulatia
corespunzatoare ;
– un control al parametrilor caracteristici ale acestor sisteme.
Sistemele uzuale de actionare folosesc trei surse primare de energie :
electrica , pneumatica sau hidraulica. Procentual, cel mai mare numar de sisteme
de roboti industriali moderni utilizeaza actionarea hidraulica datorita unor
caracteristici deosebite pe care aceste echipamente le ofera în ceea ce priveste
raportul dintre forta exercitata la dispozitivul motor si greutatea acestuia. O arie
larga o au deasemenea actionarile electrice, utilizate îndeosebi datorita
facilitatilor de control pe care le pot asigura. Actionarea pneumatica ocupa o
pondere redusa în aceasta directie , ea fiind de obicei utilizata în sistemele de
comanda ale dispozitivelor auxililiare.

74

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Fig. 54 Structura generala a unui sistem de actionare a unui Robot
Sisteme de actionare electrica
Desi mai putin utilizata decât actionarea hidraulica, actionarea electrica
ocupa o arie suficient de întinsa la robotii industriali datorita urmatoarelor
avantaje principale :
a) sursa de energie electrica primara este usor de gasit;
b) sistemele de control sunt precise, sigure si relativ usor de cuplat la o
conducere numerica la nivel înalt;
c) se poate asigura o functionare autonoma prin alimentarea cu baterii;
d) nu se impun probleme specifice de poluare.
3.3.1. Ac ionarea cu motoare de curent continuu a TRR ț
Actionarea cu motoare de curent continuu are avantajul important ca
momentul creat este practic independent de pozitia si viteza motorului,
depinzând numai de câmpul înfasurarilor si curentul din armaturi. Daca
înfasurarile de câmp sunt înlocuite cu un magnet permanent atunci momentul
dezvoltat este proportional cu valoarea curentului din armaturi si deci cu
tensiunea aplicata.
Anumite proceduri tehnologice au permis micsorarea greutatii motoarelor.
Ele se refera, de exemplu, la eliminarea înfasurarilor de excitatie prin utilizarea
motoarelor cu magnet sau micsorarea greutatii rotorului prin motoarele disc.
Desi teoretic, orice motor electric este susceptibil de utilizare, pentru actionarea
robotilor se utilizeaza numai motoare de curent continuu si pas cu pas, primul
75

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
datorita sistemelor performante de control, iar al doilea datorita facilitatilor pe
care le ofera în controlul în bucla deschisa la operatiile de pozitionare .
Dezavantajul principal al acestor actionari este greutatea componentelor.
Raportul putere – greutate sau moment – greutate este mai mic decât la
actionarile hidraulice. Aceasta greutate nu poate fi redusa în mod semnificativ
datorita circuitului magnetic care, pentru asigurarea unor performante ridicate
necesita o geometrie corespunzatoare.
Utilizarea motorului de c.c în actionarea robotilor impune :
a) un sistem de control utilizând tahogeneratoare si transformatoare de
pozitie;
b) un sistem mecanic care sa realizeze conversia miscarii de rotatie in
miscare de translatie;
c) un sistem mecanic pentru blocarea motorului .
Motoarele de curent continuu sunt formate din doua parti : un sistem de
excitatie si o înfasurare dispusa într-o armatura rotorica. Un sistem de comutatie,
asigura în permanenta un sens unic al curentului în raport cu câmpul magnetic,
deci asigura o forta în directie constanta.
3.3.2. Ac ionarea cu motoare pas cu pas a TRR ț
Motoarele pas cu pas sunt sisteme sincrone care realizeaza o corelatie
directa între marimea comandata si pozitia obtinuta. Aceste motoare asigura
conversia directa a semnalului de intrare, dat sub forma numerica, într-o miscare
de pozitionare unghiulara prin cumulari incrementale. Aceasta proprietate
determina o utilizare larga a motoarelor pas cu pas în toate sistemele de
pozitionare în bucla deschisa. Conversia intrinseca a comenzii în pozitie asigura
scheme de control simle, eficiente atât sub aspect tehnic, cât si economic.
Pe lânga aceste avantaje, trebuiesc subliniate si câteva dezavantaje printre
care se mentioneaza: acceleratii si deceleratii discontinue, variatia cuplului cu
pozitia rotorului, puteri mici etc.
În figura 55a este prezentat un motor pas cu pas cu 8 dinti pe stator si 6
dinti pe rotor, functionând în 4 faze cu pas de
. Înfasurarile unei faze sunt
dispuse pe 2 poli statorici diametral pusi. La alimentarea unei faze, dintii rotorici
se aseaza în fata dintilor statorici pe care este conectata faza comandata . La
alimentarea fazei urmatoare, rotorul se va roti cu
.
Pentru obtinerea unui pas de rotatie mai mic se mareste numarul de dinti
statorici si rotorici. În figura 55 este reprezentat un astfel de motor cu 6 poli
aparenti statorici.
76

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Motoarele pas cu pas polistatorice sunt realizate sub forma unor
multistructuri statoric-rotorice, fixate mecanic în aceeasi carcasa dar
independente din punct de vedere electric si magnetic. Statorul si rotorul au
acelasi numar de dinti. Subsistemele rotorice sunt montate pe acelasi ax , dar
sunt separate din punct de vedere magnetic.
Fig. 55 Motor pas cu pas cu 6 poli
Pentru a realiza rotatia este necesar decalarea subsistemelor rotorice sau
statorice, radial unele fata de altele. În figura 55 este prezentat un motor cu trei
faze, cu statorul aliniat si un decalaj de o treime din pasul dentar realizat prin
cele trei subsisteme rotorice.
Indiferent de principiul de functionare al motorului, comanda acestuia se
realizeaza prin comutarea succesiva a fazelor înfasurarilor. În figura 56 se pot
urmarii diagramele tensiunilor de alimentare în câteva variante functionale
aplicate unui motor cu patru faze.
În figura 56 a este reprezentata asa numita comanda simetrica simpla în
care alimentarea fazelor este comutata succesiv pe fiecare înfasurare, semnalele
de comanda fiind disjuncte. În figura 56b sunt alimentate în permanenta doua
înfasurari, sensul de rotatie al motorului fiind determinat de ordinea de conectare
si deconectare a acestora (comanda simetrica dubla). Aceasta metoda este
îmbunatatita în figura 56c în sensul ca intervalul de timp asociat unei înfasurari
este defalcat în trei zone. Prima si ultima corespund alimentarii simultane cu
faza precedenta si respectiv succesoare iar în a doua este asigurata numai
alimentarea fazei proprii.
77

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Fig. 55c Motor pas cu pas
Comutarea semnalelor pe înfasurari este realizata cu scheme de comanda
specifica. Aceste scheme trebuie sa contina, pe de o parte, logica de comutare a
fazelor, iar pe de alta parte dispozitive electronice de putere cuplate direct pe
înfasurarile motorului.
În figura 57 se pot urmarii principalele elemente ce intra în componenta
acestor scheme.
Circuitul distribuitor este format dintr-un numarator în inel, cu numarul
starilor egal cu numarul fazelor motorului, urmat de o logica de decodificare ce
permite activarea unei singure iesiri într-o stare a numaratorului. Pentru
axemplificare, în figura 58 s-au prezentat doua circuite distribuitoare pentru un
motor cu patru faze.
78

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Fig 56
Primul distribuitor, figura 58a realizat dintr-un numarator modulo 4
activat cu un generator de impulsuri cu perioada T=
unde t
este timpul de
explorare al tuturor fazelor motorului.
Fig 57 Elemente
principale de comanda
Prin decodificare se obtine în fiecare stare a numaratorului un singur
impuls, la fiecare perioada a generatorului, deci controlul realizat corespunde
unei comenzi simetrice simple. In figura 58,b este utilizat acelasi numarator dar
logica de decodificare asigura semnalele urmatoare:
79

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Prin aceasta selectie se obtine o distributie în timp de forma 56b realizând,
deci, comenzi simetrice duble.
Circuitele prezentate sintetizeaza functia de baza a distribuitoarelor,
repartitia semnalelor pe fiecare faza dupa o secventa impusa, având ca referinta
semnalul unui generator de tact. In afara de acest semnal, distribuitorul poate fi
controlat printr-o serie de semnale externe ce îi definesc sensul de baleiaj al
fazelor, blocarea sau deblocarea sa si permit chiar modalitati functionale
specifice corespunzatoare unor regimuri de accelerare sau decelerare a
motorului.
a) b)
Fig 58
Frecventa de tact este, la rotatia nominala a motorului, constanta
si obtinuta prin circuite oscilatoare de uz general. Pentru regimurile de
accelerare se impune, in scopul eliminarii fenomenului de pierdere al pasilor,
pornirea generatorului de la frecvente joase si cresterea gradata a frecventei pâna
se atinge frecventa de regim dorita. O procedura similara este necesara si la
regimurile de decelerare. Aceasta modificare a frecventei poate fi realizata in
diferite moduri: prin circuite specializate analogice sau numerice sau prin
sistemul software al unui procesor ce controleaza miscarea. Pentru
exemplificare, in figura 59 este prezentat un circuit numeric ce realizeaza
controlul frecventei prin informatia numerica transmisa de la procesor. Aceasta
marime numerica , reprezentata prin vectorul Nv, este înscrisa intr-un registru
tampon ce este decrementat de un semnal de tact de frecventa ridicata si riguros
constanta (Ts) emis de un generator GT1. La atingerea starii de zero a
80

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
registrului , o poarta logica P 1 blocheaza accesul acestor impulsuri si permite
reînscrierea unei noi valori numerice cu o întârziere τ. Iesirea portii reprezinta
totodata semnalul de tact al distribuitorului.
Fig 59 Circuit numeric pentru controlul frecven ei ț
Frecven ța de control a distribuitorului fd se obtine , din valoarea numerica
aplicata , dupa o relatie de forma
Aceasta relatie este pusa în evidenta prin diagrama de semnale din figura
3.17,b. Pentru o valoare Nv = 3 înscrisa periodic în registru se obtin impulsurile
ud cu perioada Td1. Marirea valorii numerice , Nv2 determina o crestere
proportionala a perioadei la valoarea Td2.
Distribuitoarele de impulsuri discutate genereaza deci logica de comutare
a tensiuni de alimentare pe fiecare faza fara a asigura puterea necesara pentru
comutare. Aceasta este obtinuta de un bloc de comutatoare statice care
realizeaza amplificarea necesara a sistemului.
Problemele impuse acestor circuite sunt numeroase, ele derivând din
regimurile speciale la care opereaza un motor pas cu pas. Aceste probleme pot fi
formulate prin conditiile urmatoare:
81

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
1) generarea unui curent cu o amplitudine corespunzatoare puterii cerute
de motor si cu polaritate adecvata. Aceasta implica trazistoare de putere în
etajele finale sau chiar tiristoare;
2) comutarea curentului de la valoarea zero la valoarea de regim în timp
minim;
3) comutarea inversa a curentului de la valoarea nominala la zero în timp
minim cu evitarea aparitiei unor semnale de supraurmarire.
Prima conditie se realizeaza prin utilizarea unor configuratii speciale de
amplificare în curent de tipul circuitelor Darlington. Aceste circuite au avantajul
unui factor de amplificare bun, o impedanta de intrare mare, o impedanta de
iesire foarte mica , deci o adaptare foarte buna fata de sarcina oferita de motor.
Ele reprezinta totodata si un excelent comutator static, constantele de timp
proprii fiind foarte mici.
În figura 60 este reprezentat un astfel de comutator Darlington cuplat pe
una din înfasurarile unui motor pas cu pas. Daca semnalul furnizat de
distribuitor este la nivel logic O, tranzistorul T1 se blocheaza determinând
blocarea tranzistorului T2 si anulând deci curentul în faza motorului. Pentru o
valoare logica 1, tranzistorul T1 intra în saturatie determinând conductia lui T2
si, deci, un curent corespunzator prin înfasurarea motorului.
Fig 60 Comutator Darlington
Conditile 2 si 3 formulate sunt strâns legate de regimul tranzitoriu al
circuitului de sarcina. Propriu-zis, sarcina acestui comutator este caracterizata
prin inductanta L a înfasurarii motorului, deci evolutia în timp a curentului
corespunde regimului oricarui comutator cu sarcina inductiva.
82

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Fig 61
Dezavantajul principal al metodei consta în cresterea puterii consumate
prin disiparea acesteia în rezistenta interna R. Acest neajuns poate fi remediat
prin mentinerea rezistentei R numai pe durata regimului tranzitoriu si anularea ei
în restul intervalului de timp. În figura 3.20 este prezentata aceasta solutie în
care rezistenta R, comuna tuturor fazelor motorului, este scurtcircuitata prin
tranzistorul T. Un bloc de control asigura comutarea tranzistorului T în
intervalele de timp necesare.
Un aspect caracteristic comutatiei în circuitele inductive este aparitia
supratensiunilor în colectorii tranzistorilor finali la comutarea interna a
curentului. În acest caz, curentul nu devine imediat zero, ci se mentine în
înfasurare datorita inductivitatii acesteia. Efectul imediat este aparitia
supratensiunii ce poate provoca strapungerea tranzistorilor si în acelasi timp se
creeaza riscul alimentarii simultane a doua faze, cea blocata si faza succesoare
acesteia (prin comutarea distribuitorului). Rezultatul este un efect de frânare al
motorului.
Eliminarea acestui neajuns se obtine prin montarea în paralel cu
înfasurarile motorului a unor diode (figura 60) sau unor circuite formate din
diode si rezistente (figura 61), ultimele elemente având ca scop micsorarea
costantei de timp de descarcare.

83

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
3.4 Comanda robotului TRR cu ajutorul controlerelor logice
programabile
Un automat programabil este un “calculator” specializat care realizează
funcții de control de o diversitate de tipuri și nivele de complexitate. Inițial,
varianta engleză pentru denumire era de PC dar datorită necesității unei
diferențieri clare a apărut denumirea de Programmable Logic Controller (PLC).
Primul automat programabil dezvoltat dintr-un calculator obișnuit a
apărut în jurul anului 1970. Odată cu primele modele au apărut și primele
probleme.
Modul de programare era complicat și necesită persoane foarte bine
pregătite în programare pentru a efectua schimbări. Primele îmbunătățiri au
încercat rezolvarea acestor probleme prin oferirea unor automate mai
“prietenoase”. Prin introducerea microprocesoarelor în 1978 a crescut puterea de
operare concomitent cu scăderea prețului de cost. În anii ’80 se ajunge astfel la o
creștere exponențială a utilizării automatelor programabile în cadrul a diverse
domenii. Unele companii de produse electronice sau calculatoare pot constata că
vânzarea de automate programabile reprezintă cea mai bună afacere. Automatele
programabile înlocuiesc diverse alte dispozitive de conducere și ajung să fie
utilizate în tot mai multe domenii de activitate.
Fig. 62 Structura unui echipament cu logică programat ă
Programul, care este expresia algebrică a schemei logice este
implementat în memorie prin intermediul echipamentului de programare.
Semnalele de intrare acced în unitatea centrală prin intermediul interfeței de
intrare, iar semnalele de ieșire spre proces sunt transmise printr-o interfață de
ieșire.
Din punct de vedere constructiv echipamentele electrice cu logică
programată (ELP) se construiesc fie pentru un număr fix de intrări-ieșiri (uzual
84

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
între 8-32); în special cele mici și ieftine, fie modular, numărul de intrări – ieșiri
putând fi crescut în trpte până la 128,112 sau chiar 4096 la cele mai mari.
În ceea ce privește modul de lucru programul de memorie este executat
secvențial (serial), microprocesorul putând prelucra la un moment dat o singură
instrucțiune. Datorită vitezei mari de prelucrare utilizatorul are senzația
modulului de lucru cu prelucrarea în paralel a informației, specific sistemelor cu
logică cablată la care semnalele sosesc și sunt prelucrate practic în paralel
(simultan).
Procesorul este elementul care determină posibilitățile instalației. Acesta
este uzual de la 1 la 8 biți, dar poate fi și de 4 la 16 biți, acest număr precizând
numărul de poziții binare care pot fi prelucrate simultan. La instalațiile unde
pentru comandă nu sunt necesare calcule aritmetice, prelucrări de text etc. se
folosesc procesoare pe un bit. Datorită răspândirii mari și a prețului scăzut sunt
folosite tot mai des microprocesoarele uzuale de 8 biți și mai nou de 16 biți.
Modalităti de întocmire a programelor
Există numeroase feluri de a întocmi prográmele pentru ELP. Se remarcă
diferențe între producători dar se manifestă și preferințe locale (geografice) și o
evoluție în timp. Tendința generală este ușurarea activității utilizatorilor atât la
familiarizarea cu echipamentul, cu limbajul, cât și dinpunct de vedere al
întreținerii și depanării.
Datorită faptului că există echipamente cu prelucrare pe un bit, (4 bit), 8
bit și 16 bit, dar și echipamente hibride (cu prelucrare pe 1 bit și 8 biți, cu două
procesoare distincte) diferențele în partea de programare se datorează și părții
hard. Se pot diferenția 3 direcții mai importante în domeniul programării:
– utilizarea de limbaje dedicate ;
– utilizarea de limbaje universale;
– introducerea directă a schemelor clasice cu contacte în echipamentul
de programare.
Limbaje dedicate
Aceste limbaje sunt specifice întreprinderilor producătoare de
echipamente, dar diferențele sunt neesențiale. Sunt utilizate în general:
– variabile de intrare ( I sau X );
-variabile de ieșire ( E sau Y );
-variabile de memorare ( M );
-variabile de temporizare (T sau D ).
Aceste mărimi urmate la scriere de un număr care le localizează spațial
(de exemplu I101 sau X101; E404 sau Y404; M109 sau T308) sunt în legătură
85

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
funcțională conform unei ecuații logice. În general se folosesc operatori logici ȘI
(AND;*), SAU (OR;+), NU (NOT; N) și simbolul de atribuire OUT ( = ) . Unele
limbaje admit alternativ și simbolurile „SET" și „RESET" pentru punerea în „1",
reducerea în „0" a unei variabile de ieșire.
Dintre limbajele mai raspândite se pot aminti: PSE si DOLOG (AEG),
STEP (SIEMENS), SUCOS (KLOECKNER MOELLER), MELSEC
(MITSUBISHI), la noi în tara existând limbaje similare din seria AP.
Introducerea direct ă a schemelor de comand ă
Este o metodă răspândită și constă în transpunerea imediată, folosind
simbolurile grafice pentru contacte, bobine, noduri etc. a schemelor cu contacte
și relee clasice, mai întâi pe monitor, pentru control, iar apoi echipamentul de
comandă transpunea acestea în cod în cod mașină. Echipamentul de comandă
este scump, dar permite introducerea iterativă, rapidă a schemelor de comandăîn
forma clasică.
Avantajele lucrului cu automatele programabile sunt următoarele:
– Flexibilitate : în trecut era nevoie pentru fiecare dispozitiv care
trebuia controlat de un automat care să-l conducă. Prin intermediul
automatelor programabile este posibilă conducerea concomitentă a
mai multor dispozitive folosind un singur automat programabil.
Fiecare dispozitiv vă avea programul său care va rula pe automatul
programabil;
– Implementarea schimbărilor și corecția erorilor : prin intermediul
unei conduceri realizată în logica cablată era nevoie de timp în
cazul unei schimbări sau în corecția unei erori. Prin utilizarea
automatelor programabile aceste schimbări sau corecții pot fi
efectuate foarte ușor în program;
– Cost redus : la acest cost s-a ajuns în decursul timpului și astfel
poate fi achiziționat un automat cu numeroase timere, numărătoare
și alte funcții pentru sume pornind de la câteva sute de dolari;
– Posibilități de testare : programul poate fi rulat și evaluat înainte de
a fi instalat pe automat pentru a realiza conducerea dispozitivului.
Astfel, pot fi evaluate cu costuri foarte mici erorile care apar
precum și posibilitățile de îmbunătățire a programului;
– Viteza de operare : este un alt avantaj. Viteza de operare este
dependentă de timpul de scanare al intrărilor, timp care în prezent
este de domeniul milisecundelor; –
86

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
– Modul de programare : prin introducerea diagramelor leadder
respective a metodei booleene de programare a fost facilitat accesul
la mediul de programare și pentru cei care nu au cunoștințe
deosebite în domeniul programării;
– Documentare: este posibilă o foarte bună documentare a
programelor prin înserarea de comentarii în spațiile alocate acestora
facilitând astfel continuarea și depanarea acestora de către alți
programatori;
– Securitatea: mărită datorită modului de lucru cu procesul.
Dezavantajele lucrului cu automate programabil e:
– Aplicații ‘fixe’: unele aplicații nu au nevoie de automat
programabil datorită gradului foarte mic de complexitate neexistând
astfel necesitatea achiziționării unui automat programabil relative
sofisticat;
– Probleme de mediu: în unele medii există temperaturi ridicate sau
alte condiții care pot duce la deteriorarea automatelor programabile
astfel că acestea sunt greu sau chiar imposibil de utilizat;
– Funcționare ‘fixa’: dacă nu apăr schimbări în cadrul procesului de
multe ori folosirea automatului poate fi mai costisitoare;
Automatul programabil Moeller Easy 512 DC-RC
Automatul programabil Easy512 produs de firma Moeller oferă multe
intrări/ieșiri, poate fi extins și poate fi conectat la magistrale de comunica ție
standard. El dispune de 128 de căi de curent pe care se poate face comutarea în
serie sau în paralel a contactelor și a bobinelor.
Trei contacte pot fi în serie cu o bobina. Se pot afișa 16 texte de comandă
sau de semnalizare prin intermediul afișajului intern sau extern. Func iile ț
principale sunt:releu de timp multifunc țional, releu de impuls, numarator
(înainte și înapoi, rapid, frecven ța, ore de func ționare); comparator de valori
analogice, timer săptamânal și anual. Comutare automată la ora de vară. Valori
remanente ale markerelor, contoarelor, releelor de timp.
Un modul de memorie de tip plug-in permite copierea schemei de
conexiuni existentă în easy fără ajutorul unui PC. Pe de altă parte, modificări
ulterioare ale schemei de comandă pot fi efectuate în altă loca ție, transferul în
cadrul easy efectuându-se prin intermediul modulului de memorie.
87

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Se poate modifica modul de lucru la pornire, prin selectarea modurilor de
funcționare "RUN" sau "STOP" la punerea sub tensiune, ceea ce u urează ș
punerea în func țiune.
Recunoasterea scurt-circuitului si deconectarea selectivă a iesirilor pe
transistor în caz de scurt-circuit si suprasarcină.
Fig. 63 Controller Logic Programabil Moeller Easy 5 12
3.5 Aplicatii ale robotilor
În conformitate cu funcțiile menționate robotul poate fi utilizat în aplicații
industriale sau neindustriale producătoare de bunuri materiale sau prestatoare de
servicii (fig.64).
Fig.64 Clasificarea aplicațiilor roboților.
Un proces de fabricație se compune din totalitatea operațiilor de prelucrare
și de manipulare care concură la execuția unei piese.
88

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Fig.65. Componența procesului de fabricație.
În sistemele de fabricație clasice operatorul uman este singura
componentă atât a subsistemului de prelucrare cât și a celui de manipulare, în
cele mecanizate lipsește robotul industrial, în cele mecanizate avansat robotul
industrial este cel mult un manipulator, iar în cele automate lipsește operatorul
uman.
Câteva dintre domeniile în care sunt utilizați roboții sunt:
– servirea unor mașini utilaje/instalații/dispozitive;
– paletizare / depaletizare;
– montaj;
– vopsire;
– măsurare, control de calitate, testare;
– sudare;
– prelucrarea unor semifabricate;
– operații în “camere curate” etc.
3.5.1 Aplicații industriale ale roboților
Robotul industrial este deci componenta esențială a sistemelor de
fabricație automate flexibile , deoarece poate executa automat și operațiile
proceselor discontinue (de manipulare) de mare complexitate și este
reprogramabil / adaptabil cu cheltuieli mici de manoperă / energie / materiale.
Robotul industrial poate fi prezent atât în subsistemul de prelucrare cât și în cel
de manipulare. Subsistemul de prelucrare poate conține între altele fie mașini de
lucru, scule și dispozitive de lucru, fie roboți industriali, scule și dispozitive de
lucru.
În consecință se poate concluziona că în aplicațiile lor industriale, roboții
pot manipula:
– obiecte de lucru – caz în care fac parte din subsistemul de manipulare;
– scule – caz în care fac parte din subsistemul de prelucrare.
Prin obiect de lucru se înțelege semifabricatul, piesa, ansamblul sau
subansamblul de manipulat, scule (neaflate însă în procesul de prelucrare), iar
prin sculă – o freză, un pistol de sudare, un cap de sudare în puncte, un pistol de
vopsire e.t.c.
89

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Manipulare obiectelor de lucru de către un robot industriale este cel mai
des întâlnită la:
– servirea unor mașini de lucru, instalații sau dispozitive;
– operații de paletizare / depaletizare;
– operații de montaj automat.
Manipularea sculei de către un robot industriale este frecvent utilizata in:
-operații în turnătorii de formare, demaselotare, debavurare, curățire
sau sablare;
– prelucrarea unor semifabricate prin așchiere, cu fascicul laser sau
prin jet de apă cu înaltă presiune;
-operații de sudare prin presiune sau cu arc în mediu de gaz
protector;
-operații de lipire cu material nemetalic sau cu material metalic;
-operații de metalizare robotizată;
– operații de vopsire prin pulverizarea vopselei lichide sau
împrăștierea vopselei sub formă de pulbere;
-operații de măsurare, control de calitate, testare și inspecție;
-operații "în camere curate".
3.5.2 Aplicații neindustriale ale roboților
Datorită augmentării volumului activităților neindustriale, sesizabilă în
mod deosebit în țările cu economie dezvoltată, s-a impus dezvoltarea aplicațiilor
roboților în activitățile mai sus menționate, evoluție care a fost favorizată și de
posibilitățile de aplicare ale soluțiilor tehnice dezvoltate pentru Robotica
Industrială în construcția roboților pentru aplicațiile neindustriale. Se apreciază
că piața roboților pentru aplicații neindustriale va depăși de câteva ori piața
roboților industriali.
Aplicațiile neindustriale de producere a unor bunuri materiale folosind
roboți se referă la: construcții, minerit, agricultură, zootehnie, silvicultură,
activități productive în medii inaccesibile pentru operatorii umani.
Câteva dintre activitățile din domeniul construcțiilor, robotizate sau
cercetate în vederea robotizării, sunt enumerate mai jos: escavare – astupare,
zidire, poziționare, îmbinare, montaj construcție metalică, acoperire, tencuire
etc.
Dintre aplicațiile pentru care sunt folosiți roboții în agricultură amintim:
operații de recoltare a fructelor, a legumelor, a ciupercilor etc.
90

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Aplicațiile neindustriale ale roboților de prestări servicii se referă la
domeniile: medicină, transporturi, gospodărie comunală, comerț, bănci, poștă și
telecomunicații, instituții de credit, hoteluri și restaurante, roboți personali.
Destinațiile care le pot fi atribuite roboților în prestări servicii sunt:
întreținerea curățeniei (podea, rezervor, pereți verticali, geam etc.), inspecție,
activități subacvatice, reabilitare și activități medicale, curierat, supraveghere –
securitate, alimentare cu combustibil, activități în hoteluri, și restaurante,
deserviri în camere curate, activități în spațiul extraterestru, distracție, hobby,
timp liber etc.
Îngrijirea sănătății oamenilor este una dintre cele mai accentuate activități
din sfera prestărilor de servicii, prin robotizarea unor activități medicale fiind
permisă reducerea ponderii necreative a activității medicale, mărirea caracterului
obiectiv al acestuia, creșterea preciziei unor operații, roboții fiind utilizați atât la
descoperirea afecțiunilor bolnavilor și ale cauzelor acestora, cât și la tratarea
acestor afecțiuni, fiind prezenți în diferite activități de îngrijire a bolnavilor și în
cele legate de funcționarea spitalelor:
– diagnoză: manipularea aparatelor de diagnoză, manipulator pentru
situarea corpului/ părților din corpul uman, instalații de teleoperare
endoscopică;
– terapie chirurgicală: manipularea unor instrumente chirurgicale
obișnuite, manipularea instrumentelor chirurgicale microinvazive,
simulator chirurgical;
– alte terapii : manipularea aparatelor de tratament;
– îngrijirea bolnavilor: ascensor de pat, instalație de comisionare a
medicamentelor, distribuirea hranei pentru bolnavi;
– funcționarea spitalelor : curățire, dezinfectare, manipularea
paturilor, distribuirea de acte și efecte poștale și a lenjeriei;
-curățirea grupurilor sanitare;
-curățirea geamurilor, pereților;
-întreținerea echipamentelor și spațiilor interioare;
-curățirea spațiilor exterioare;
-intreținerea echipamentelor și spațiilor exterioare;
– manipulare de obiecte: transfer de persoane, adunarea mingilor de
tenis, de golf, e.t.c.;
– ajutor de bucătărie: servirea unor echipamente de bucătărie,
prepararea unor mâncăruri simple;
– alte aplicații: antrenament sportiv, întreținerea bărcilor, jucării,
reclame.
91

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
Concluzii
În cadrul prezentei lucrări de diplomă, pe baza particularită ilor unui robot ț
care execută o mi care de transla ie i două mi cări de rota ie, am încercat să ș ț ș ș ț
prezint avantajele utilizării robo ilor industriali, tipurile de robo i existente ț ț
precum i modul de comandă i ac ionare a robo ilor în general, i a robotului ș ș ț ț ș
care execută mi cările de transla ie-rota ie-rota ie în particular. ș ț ț ț
Robotul Transla ie-Rota ie-Rota ie studiat, prin complexitatea sa ț ț ț
constructivă poate fi utilizat pentru diverse experimente de laborator care vor sta
la baza cercetării i aprofundării cuno tiin elor în fascinantul domeniu al ș ș ț
roboticii.
O particularitate aparte a robotului Transla ie-Rota ie-Rota ie o reprezintă ț ț ț
comanda cu ajutorul controllerului logic programabil Moeller Easy 512 care este
cea mai recomandabilă solu ie de comandă i control datorită posibilită ii ț ș ț
introducerii rapide a schemelor de comandă în formă clasică, a flexibilită ii pe ț
care o oferă, a costului redus, a vitezei de operare si totodată a securită ii pe care ț
o oferă în exploatare.
În încheiere trebuie men ionat faptul că an de an robo ii sunt tot mai mult ț ț
utiliza i atât în domeniul industrial (fiind o componentă esen ială a sistemelor de ț ț
fabrica ie automate flexibile) cât si în domenii neindustriale (în medii ț
inaccesibile pentru operatorii umani), cre terea utilizării robo ilor fiind una ș ț
exponen ială. ț
92

Studiul unui Robot Translație Rotație Rotație
BIBLIOGRAFIE
1. Chircor, M. – „Asupra volumului spațiului de lucru al roboților industriai” ,
Sesiunea de Comunicãri Științifice, Brăila,1993;
2. Chircor, M. – „Noutãți în cinematica și dinamica roboților industriali” ,
Editura Fundației Andrei Șaguna, Constanța, 1997;
3. Chircor M. – „Calculul energiei consumate de robotul industrial la
manipularea unei sarcini” , Acta Universitatis Cibiniensis, Sibiu,1995;
4. Cojocaru G., Fr.Kovaci – „Roboții în acțiune” , Ed.Facla, Timișoara,1998;
5. Davidoviciu A., Drãgãnoiu G., Moanga A. – „Modelarea, simularea și
comanda manipulatoarelor și roboților industriali” , Ed.Tehnică, București,
1986;
6. Ispas V. – „Aplicațiile cinematicii în construcția manipulatoarelor și a
roboților industriali” , Ed. Academiei Române, București, 1990;
7. Murat T., Angeles J., Darcovich J. – „On Rotation Representations in
Computational Robot Kinematics” , 4 / 1992;
8. Nichici A., Cicală E., Mee R. – „ Prelucrarea datelor experimentale” ,
Universitatea “Politehnica” din Timișoara, Timișoara, 1996;
9. Olaru A. – “Dinamica roboților industriali” , Reprografia Universitãții
Politehnice București, 1994;
10. Platon V. – “Sisteme avansate de producție” , Editura tehnică, București,
1990;
11. Telea D., Bârsan I. – „Elemente de automatizare specifice roboților
industriali cu lanțuri cinematice închise și deschise ”, Universitatea din Sibiu,
Sibiu, 1993;
12. Telea D., Bogdan L., Bârsan I. – „Acționări și comenzi electrice: Îndrumar
de laborator ”, Editura Universității „Lucian Blaga”, Sibiu, 1997;
13. Breaz R., Bogdan L., „Automatizari in sisteme de productie ” Editura
Universitatii „Lucian Blaga” Sibiu, 2003
14. Bogdan L., Dorin Al., „Actionarea electrica a masinilor-unelte si a robotilor
industriali”, Editura Bren Bucuresti, 1998
15. STAS R 12928/1-90;
16. STAS R 12928/2-90;
17. STAS R 12928/3-90;
18. STAS 12938-91.
93