Buzdugan I.D., Mogan Gh.L. Proiectarea roboților ficși. Universitatea Transilvania din Braşov

Anexa.1.1.2 Structura și funcționarea roboților ficși

Structura generală a sistemului robot

În oricare situaţie de utilizare a unui robot industrial se impune parcurgerea unui set de traiectorii între punctele de start şi ţintă din spaţiul de operare (fig.1), pentru poziţionarea şi orientarea controlată a obiectului de manipulat în mediul tehnologic (de operare).

Fig. 1 - Structura sistemului robotului industrial

Fig. 2 - Geometria orientării corpului manipulat

Obiectul manipulat poate fi un semifabricat/piesă, care este adus pentru a fi prelucrat/asamblat sau respectiv evacuat după prelucrare, sau o sculă/dispozitiv de lucru sau de inspecţie (pistol de vopsire, cap de sudare, dispozitiv de înşurubare, polizor de debavurare, aparat/instrument de măsură etc.). Obiectul manipulat, conform succesiunii tehnologice, se poate găsi în staţionare, cu sau fără acţiune tehnologică, sau în mişcare pe traiectorii definite.

Pentru descrierea sintetică a poziţiei şi orientării obiectului manipulat cu viteze şi acceleraţii impuse în cadrul mişcării generale, acesta se reduce la un punct caracteristic şi o dreaptă caracteristică (fig. 2). De obicei, se adoptă ca dreaptă caracteristică, dacă există, una din axele de simetrie ale obiectului de manipulat şi ca punct caracteristic centrul de simetrie (când sunt mai multe axe de simetrie), un punct de pe axa de simetrie (când există o singură axă de simetrie) sau centrul de masă.

Traiectoria (fig.1 şi 2), ca o secvenţă distinctă asociată unei faze tehnologice, ţinând cont de poziţia obstacolelor (elemente ale sistemului perirobot), este locul geometric al poziţiilor succesive ale punctului caracteristic, în mişcare.

Orientarea obiectului manipulat în punctele curente ale traiectoriei se descrie de poziţia direcţiei planului tangenţial, format de dreapta caracteristică şi tangenta la traiectorie, prin unghiul de orientare (operare, de lucru) ε, dintre normala la acest plan (dreapla auxiliară) şi direcţia efectorului robotului. Planul determinat de dreaptele caracteristică şi auxiliară se numeşte plan caracteristic.

Mulţimea punctelor din mediul de operare al unui robot industrial (fig.1) care pot fi atinse de punctele caracteristice ale obiectelor de manipulat, formează spaţiul de operare (de lucru). Pe de altă parte, mulţimea punctelor din mediul de operare atinse de punctele extreme ale robotului industrial formează spaţiul de manevră.

Suprafaţa de fixare a unui robot industrial este suprafaţa de legătură a bazei cu fundaţia, faţă de care se defineşte şi sistemul de coordonate fix asociat robotului industrial.

Structura funcţională a roboţilor industriali

Roboţii industriali pot fi consideraţi ca hipersisteme mecatronice complexe (fig.3), compuse din următoarele părţi principale:

- sistemul mecanic, care realizează mişcarea dorită a obiectului manipulat prin acţionare în sau asupra mediului de operare;

- sistemul de acţionare cu funcţia de a pune în mişcare cuplele cinematice ale sistemului mecanic prin intermediul unor subsisteme de antrenare cu motoare legate la sursa de energie;

- sistemul senzorial prin care se culeg informaţii privind valorile parametrilor interni care descriu starea sistemului robotului industrial, precum şi valorile parametrilor externi asociaţi spaţiului de operare şi/sau sistemului perirobot;

- sistemul de conducere procesează informaţiile primite de la sursa de informaţie (operatorul uman, sisteme de conducere similare şi superioare) şi/sau de la sistemul senzorial.

Fig. 3 - Sistemele unui robot industrial

Sistemele mecanice ale roboţilor industriali

Mişcarea punctului caracteristic, asociat unui obiect manipulat, pe traiectorie între două puncte succesive de pe aceasta, se poate descompune în două secvenţe:

- poziţionarea în punctul al doilea, fără modificarea orientării;

- orientarea, care presupune rotirea în jurul punctului caracteristic, considerat fix.

Deci, pornind de la funcţia principală de manipulare (poziţionare şi orientare) a unui obiect într-un spaţiu de operare dat, sistemul mecanic se compune din următoarele părţi principale: mecanismul de poziționare, mecanismul de orientare dispozitivul de prehensiune (efector) (fig. 4).

Fig. 4 - Structura sistemului mecanic a unui robot fix serie

Pentru ghidarea completă a dispozitivului efector cu obiectul manipulat în spaţiul de operare tridimensional, fără obstacole, sunt necesare minumum şase grade de libertate (mişcări independente) ale acestuia, dintre care trei sunt de poziţionare (generatoare de traiectorie) şi celelate trei sunt pentru orientare.

Gradul de mobilitate al structurii mecanice a unui robot industrial este dat de numărul coordonatelor independente necesare pentru definirea neechivocă a poziţiilor tuturor elementelor acestuia. Pentru sistemul mecanic corespunzător unui robot industrial serie, standard, în vederea realizării mişcărilor de poziţionare şi de orientare a mecanismului efector sunt necesare şase grade de mobilitate, dintre care trei sunt asociate lanţului cinematic de poziţionare şi celelalte trei sunt ale lanţului cinematic de orientare.

Roboţii industriali construiţi pentru operaţii tehnologice de complexitate redusă, în multe cazuri practice, din considerente de eficienţă efectuează mai puţine mişcări independente asupra dispozitivului efector şi, deci, au mai puţine grade de mobilitate.

Mecanismele de poziţionare cu trei grade de mobilitate, în funcţie de tipul coordonatelor care descriu poziţiile şi mişcările diverselor elemente ale, frecvent în practică, definesc structurile de bază de roboţi: în coordonate carteziene (fig.5,a), cilindrice (fig.5,b), sferice (fig.5,c) sau unghiulare (fig. 5.d).

Fig. 5 - Mecanisme de poziţionare de bază în coordonate: a – carteziene, b – cilindrice, c – sferice, a – unghiulatre

Mecanismul de orientare, care are ca funcţie principală deplasarea unghiulară a obiectului manipulat în raport cu punctul caracteristic asociat dispozitivului efector idealizat prin dreapta caracteristică, realizează mişcări simple, prin analogie cu mişcările încheieturii mâinii sau ale unei nave (fig.6), de: pronaţie-supinaţie sau ruliu (roll) în jurul axei x, flexie-extensie sau tangaj (pitch) în jurul axei y şi aducţie-abducţie sau giraţie (yaw) cu axa z. Mecanismele de orientare cu unul, două, sau trei grade de mobilitate au la bază numai cuple cinematice de rotaţie, de obicei, ortogonale.

Fig. 6 - Parametrii mecanismelor de orientare

Dispozitivul de prehensiune sau, mai simplu, efectorul (prehensorul) este partea finală a sistemului mecanic al robotului industrial (fig.7), care realizează acţiunea directă asupra obiectului sau sculei de manipulat (v. Anexa.3.1.1). Acesta este ataşat mecanismului de orientare şi are funcţia de prehensiune (prindere, menţinere şi eliberare) a obiectului de manipulat (semifabricat, piesă) sau a dispozitivului tehnologic (cap de sudură, pistol de vopsire, polizor, instrument de măsurare etc.). În cazul manipulărilor succesive ale unui obiect sau dispozitiv tehnologic, cu dispozitivul de prehensiune, se parcurg repetitiv următoarele faze: de centrare (poziţionare), de prindere, de menţinere, de depunere şi de eliberare.

Fig. 7 – Dispozitive de prehensiune: a – pentru manipularea unui semifabricat/piesă, b – pentru manipularea unui dispozitiv de sudare

Acţionarea roboţilor industriali

Mecanismele de ghidare ale roboţilor industriali, pornind de la lanţurile cinematice cu un număr de cuple conducătoare egal cu gradul de mobilitate, sunt antrenate de subsisteme de acţionare motoare prin intermediul unor mecanisme de antrenare (fig.8). Aceste mecanisme, de obicei, pot fi acţionate de motoare electrice, hidraulice sau pneumatice, liniare sau rotative.

Fig. 8 – Subsistemele de antrenare

Motoarele electrice pentru acţionarea roboţilor industriali, de obicei, motoare de curent continuu, sincrone sau pas cu pas, sunt frecvent întâlnite în practică datorită sursei energetice cu disponibilitate cvasigenerală şi a compatibilităţii mărite cu sistemul de comandă şi control. Motoarele electrice cu mişcări controlabile, specifice roboţilor industriali, sunt caracterizate de factori ai puterii specifice (putere/greutate) micşoraţi şi, de obicei, impun considerarea unor transmisii mecanice şi mecanisme intermediare (fig.8). Dintre motoarele de curent continuu, din considerente de randament, gabarit şi eficienţă economică, în construcţia roboţilor se utilizează frecvent cele cu magneţi permanenţi.

Motoarele hidraulice se folosesc, de obicei, pentru acţionarea directă a cuplelor roboţilor industriali datorită următoarelor avantaje: raport putere/greutate ridicat, posibilităţi bune de reglare, structură constructivă simplă, siguranţă în funcţionare bună, rigiditate mărită datorită compresibilităţii reduse a fluidelor şi întreţinere uşoară. Dar, pe de altă parte, aceste motoare sunt costisitoare, datorită necesităţii unităţilor de producere a puterii hidraulice (pompe, acumulatoare etc.), a echipamentelor de comandă complexe (electroventile, servoventile, servosupape etc.), precum şi a sistemelor de etanşare şi, în plus, au funcţionări necorespunzătoare la temperaturi scăzute ale mediului, datorită vâscozităţii ridicate a fluidului.

Motoarele pneumatice se folosesc pentru acţionarea cuplelor conducătoare şi/sau a mecanismelor de prehensiune datorită simplităţii instalaţiilor şi valorii mărite a raportului putere/greutate. Aceste motoare nu sunt preferate pentru sarcini ridicate, din considerente de securitate, consecinţă a folosirii fluidului motor la presiuni ridicate şi a necesităţii unor dispozitive de frânare care să asigure oprirea cuplelor cinematice conducătoare în poziţii relativ bine determinate.

Sisteme senzoriale ale roboţilor industriali

Senzorii unui robot industrial pot avea următoarele funcţii: măsurarea parametrilor robot pentru controlul în buclă închisă, detectarea şi evitarea coliziunilor, detectarea şi evitarea situaţiilor neprevăzute, găsirea poziţiilor obiectelor în spaţiul de lucru, corectarea eroroilor induse de modelele robotului, monitorizarea interacţiunilor cu mediul robot, inspectarea procesului în care este implicat. De fapt, sistemul senzorial este compus din subansamble speciale numite traductori (fig. 9) şi echipamente specifice de prelucrare semnale şi interfaţare care realizează măsurarea (evaluarea) unor parametri intrinseci ai robotului, legaţi de deplasarea pe traiectorie, prin senzori interni (de poziţie, viteză, acceleraţie şi/sau forţă etc.), pe de-o parte, şi a unor parametri legaţi de starea şi poziţia obiectelor din spaţiul de operare prin senzori externi (tactili, de proximitate, vizuali etc.), pe de altă parte. De obicei, traductorul transformă informaţia primară sub forma unui semnal - de tip mecanic, termic sau chimic - ce caracterizează mediul investigat, într-un semnal electric analogic sau numeric.

Fig. 9 – Schema bloc a sistemului senzorial

Sisteme de conducere ale roboţilor industriali

Schema din fig. 10 stă la baza conducerii în buclă inchisă a unui robot industrial la care corectrea poziţiilor punctelor caracteristice pentru urmărirea traiectoriei impuse se face având la bază abaterea obţinută prin compararea parametrilor impuşi (vectori de stare teoretici) cu cei determinaţi prin sistemul senzorial (vectori de stare măsuraţi). În cazul în care senzorii pentru determinarea poziţiilor şi mişcărilor cuplelor lipseşte, deplasarea punctului caracteristic se face fără corecţii, astfel fiind realizată conducerea în buclă deschisă. Această situaţie se întâmplă când precizia solicitată în funcţionare este redusă sau atunci când motoarele de acţionare permit rotirea cu acurateţe la semnale de comandă riguros definite şi generate (motoare pas cu pas).

Fig. 10 – Schema sistemului de conducere în buclă închisă

Conducerea unui robot industrial, în cazul general, implică următoarele cerinţe:

- generarea traiectoriilor pentru realizarea unei mişcări impuse; - comanda şi controlul în buclă închisă (cu feedback);

- conducerea în contact direct cu obstacole în spaţiul de lucru.

Un robot industrial, indiferent de destinaţie, trebuie să execute mişcări determinate prin deplasarea condiţionată de timp a efectorului pe curbe definite (traiectorii) în spaţiul de operare. Pentru aceasta este necesar ca în fiecare punct al traiectoriilor să se cunoască poziţiile, vitezele şi acceleraţiile mişcării.

Parcurgerea traiectoriilor necesare pentru realizarea funcţiei principale a unui robot industrial implică determinarea preliminară a coordonatelor robot de poziţie, viteză şi acceleraţie, pentru fiecare cuplă conducătoare a mecanismului de ghidare. Această operaţie se realizează, pornind de la parametrii de poziţie şi de mişcare (viteză şi acceleraţie) asociaţi punctelor caracteristice, prin analiza cinematică inversă. Traiectoriile pe care se deplasează efectorul, în funcţie de procesul tehnologic, pot fi cu toate punctele impuse sau numai cu anumite puncte ţintă impuse. În primul caz, de conducere pe traiectorie continuă, mişcările simultane corespunzătoare coordonatelor robot au forme şi corelări bine determinate, spre deosebire de cazul al doilea în care formele pot fi oarecare, traiectoria obţinută nefiind impusă (conducere punct cu punct).

În afară de trecerea prin toate punctele traiectoriilor sau prin punctele ţintă de pe acestea, conducerea unui robot industrial trebuie să asigure şi o mişcare lină, fără frânări şi accelerări bruşte. Deplasarea în aceste condiţii se asigură dacă pentru coordonatele generalizate se aleg variaţii în timp (legi de mişcare) cu funcţii de conducere "netede" cu cel puţin prima derivată continuă. Atingerea punctelor traiectoriilor sau ţintă respectând funcţiile de conducere se realizează prin compararea continuă, prin intermediul sistemului de conducere, a valorilor instantanee ale acestor funcţii la momente de timp ti impuse, cu valorile coordonatelor impuse punctelor respective. În plus, în cazul conducerii cu luarea în considerare a contactelor (coliziunilor) cu obstacole din spaţiul de lucru, sistemul de conducere implică şi luarea în considerare a informaţiilor de la senzorii externi.

...