Roboti Industriali.

Robotica in istoria omenirii

Domeniul de stiinta Robotica si fenomenul "robot", au aparut in cea de a doua jumatate a secolului XX. Aparitia lor se incadreaza in linia de evolutie a vietii si in acest cadru, a omenirii. Acest lucru se datoreaza cresterii productivitatii.

La inceputul omenirii actionarea asupra mediului se facea folosind energie biologica

Mai tarziu omul actioneaza cu ajutorul uneltelor asupra mediului folosind propria sa energie biologica.

O data cu evolutia omenirii si cresterii productivitatii pe plan local a dus la perfectionarea uneltelor si la necesitatea utilizarii unor energii suplimentare, aceasta energie sa gasit la animalele domestice.

Dezvoltarea societatii, cresterea complexitatii si volumului interactiunii cu mediu duce la un consum mare de energie, care impinge civilizatia umana spre etapa "masinismului'.

Etapa "masinismului' este cunoscuta si sub denumirea de prima revolutie tehnico - stiintifica, este cea in care tehnica incepe tot mai mult sa se dezvolte pe baza stiintei, deci a cunostintelor omenirii despre mediu, avand pe langa aspecte concrete o pondere din ce in ce mai mare de aspecte abstracte.

Mecanizarea a condus la o accelerata "crestere a productivitatii", la dezvoltarea societatii umane, la cresterea bunastarii acesteia, ceea ce a permis la randul ei dezvoltarea tehnicii.

Etapa "automatizarii" se realizeaza ca urmare a unui aport crescut al cercetarii stiintifice in dezvoltarea tehnica, a doua revolutie stiintifico - tehnica.

Se caracterizeaza prin dezvoltarea domeniilor de varf ale tehnicii prin patrunderea masiva a utilizarii calculatoarelor iar in mod paralel are loc si etapa "mecanizarii" activitatilor umane, mai ales a acelora care nu au fost suficient de afectate de acest proces.

Etapa "automatizarii" prezinta doua faze distincte, diferentiate prin natura proceselor asupra carora se aplica.

Procesele pot fi:

o       naturale

o       artificiale:sunt cauzate de interventii ale omului. "Procesele automate" sunt procese artificiale

Procesele artificiale pot fi:

o       Continue sunt acelea care o data declansate se desfasoara in mod continuu, pana cand conditiile de mediu necesare sunt asigurate. Continuitatea este asigurata de operatorul uman in solutiile clasice iar prin diferitele mecanisme, termostate, regulatoare, presostate, etc., la cele automatizate.

o       Discontinue sunt acelea care prin compunerea lor din mai multe secvente cu inceput si sfarsit, ale caror derulare se interconditioneaza reciproc si a caror continut este de complexitate mai mare decat in cazul proceselor continue. Secventa este o parte distincta din proces, avand actiuni caracteristici proprii. Discontinuitatea este asigurata de operatorul uman, cand intervine in secventele procesului cu mana sa. Pentru a asigura automatizarea proceselor discontinue este necesar sa se realizeze sisteme tehnice, care sa poata realiza automat operatii inteligente de manipulare similare omului. Asemenea sisteme sunt robotii.

Introducere. Clasificarea robotilor industriali conform I.S.O.

Robotul poate fi definit ca o instalatie pentru automatizarea operatiilor pe care in conditii "clasice" le realizeaza omul, cu mana sa, sub supravegherea ochiului, coordonarea ochi-mana realizandu-se de catre creier. Pe langa roboti, operatii de manipulare executa si manipulatoarele.

Din cele de mai sus putem realiza urmatoarele definitii:

• Robotul are o structura mecanica mai complexa (mai multe grade de mobilitate) si este condus dupa un program flexibil.
• Manipulatoarele au o structura mecanica mai simpla (mai putine grade de mobilitate) si este condus dupa un program rigid (greu modificabil).

Avem doua mari categorii de roboti :

Ficsi, cei care sunt imobili fata de anumite componente ale mediului in care evolueaza

Mobili, cei care se pot deplasa, folosind in acest scop:

roti

senile

prin pasire

tarare.

Vehiculele ghidate automat sunt roboti mobili, cu deplasare pe roti / senile.

Familia robotilor este compusa din:

o       robotii

o       manipulatoarele

o       instalatiile de teleoperare

o       protezele

o       ortezele

o       manipulatoarele medicale

o       exoscheletele amplificatoare

o       vehiculele ghidate automat

o       masinile pasitoare si taratoare

Toate care se aseamana structural (au un sistem de conducere, unul de actionare si unul mecanic) si constructiv (au ca baza mecanisme cu cuple cinematice inferioare), realizeaza familia roboti.

"Inteligenta" este capacitatea mai mare sau mai mica a sistemelor naturale sau artificiale de a se adapta cerintelor mediului.

Inteligenta artificiala este aplicatia majora a calculatoarelor.

In tabelul de mai jos este dat componenta "familiei robotilor" din punctul de vedere al "inteligentei" artificiale.

Robotii industriali se incadreaza in procesul automatizarilor industriale.

Evolutia in timp de la simplu la complex a automatizarilor industriale este data in tabelul de mai jos, incepand de la treapta 1, in care masina de lucru este mana umana, si ajungand la treapta 10, in care masina de lucru este masina care se autoperfectioneaza.

Istoria tehnicii arata ca oamenii realizeaza sisteme tehnice atunci cand practica -evolutia societatii cere rezolvarea unor anumite probleme. Necesitatea automatizarii operatiilor de manipulare a materialelor radioactive a aparut dupa incheierea celui de-al doilea razboi mondial.

Dezvoltarea sistemelor robotizate in istorie

La inceputul anilor 1950, in laboratoarele nucleare din Franta si apoi, in Statele Unite ale Americii se construiesc primele instalatii de teleoperare, folosite pentru manipularea materialelor radioactive in spatii expuse radiatiilor. Tehnica mecanismelor spatiale articulate din aceste instalatii este dezvoltata mai departe, prin inlocuirea comenzii si actionarii de catre om, cu utilizarea calculatoarelor si a actionarii hidraulice.

George Devol proiecteaza in 1954 un robot programabil, il breveteaza in SUA in 1956 si il realizeaza, impreuna cu Joseph Engelberger, creatorul primului robot UNIMATE a firmei UNIMATION (cu actionare hidraulica). Robotul UNIMATE este instalat in prima sa aplicatie de catre concernul FORD pentru servirea unei masini de turnat sub presiune in anul 1961.

In anul 1966, inginerul Ole Molaug proiecteaza un automat de vopsire pentru fabrica de masini agricole TRALLFA din Bryne (Norvegia).

In 1973, Richard Hohn dezvolta pentru corporatia Cincinnati Milacron un robot comandat de un minicalculator. Robotul este denumit "The Tomorow Tool" (T³).

In 1974 firma suedeza ASEA produce primul robot industrial actionat electric sub denumirea Irb 6, urmat in 1975 de robotul Irb 60. In 1977, robotii ASEA sunt comandati de microcomputere. In 1990, concernul Brown-Bovery Robotics cumpara diviziunea de robotica a lui Cincinnati Milacron, toti robotii fabricati in continuare fiind denumiti ABB.

In 1978, firma UNIMATE construieste cu ajutorul comparatiei GENERAL MOTORS, robotul PUMA ("Programable Universal Machine for Assembly", "masina universala programabila pentru operatii de asamblare"), versiunea industriala a lui VICARM.

In deceniul anilor '90 se remarca o oarecare stagnare a sporirii aplicatiilor robotizate - datorita unor circumstante economice, mai ales in Japonia - cat si "saturarea" din punct de vedere stiintific al roboticii industriale, determinata de solutionarea tehnica, practic a tuturor problemelor specifice posibile.

In anii 1990 - 1996 apar tot mai multe constructii si aplicatii in domeniile serviciilor si a medicinei recuperatorii.

Raportul dintre numarul de roboti instalati si numarul persoanelor angajate in industrie in diferite tari (a) si numarul si destinatia robotilor instalati pentru prestari de servicii (b), sunt date in tabelele de mai jos:

Notiunea de robot este codificata in mod diferit in diverse standarde sau formulari ale unor institutii de specialitate:

Normele franceze (Normalisation franaise, NF) :

o       norma E61 - 005 defineste manipulatorul:"Structura mecanica constituita dintr-o serie de elemente articulate sau alunecatoare unul fata de celalalt, utilizat pentru a prinde, deplasa, pozitiona si orienta obiecte (piese, scule, etc), urmarind in general mai multe grade de libertate. El poate fi comandat de un operator, de un automat programabil electric sau prin orice sistem logic (dispozitiv cu came, logica cablata, logica programata, etc.) independent sau asociat".

o       norma franceza NF61-100 da urmatoarea definitie:"Robotul este un mecanism de manipulare automata, aservit in pozitie, reprogramabil, polivalent, capabil sa pozitioneze si sa orienteze materiale, unelte sau dispozitive specializate, in timpul unor miscari variabile si programate, destinate executarii unor sarcini variate".

Standardul german DIN 2801 defineste:

o       "Robotii industriali sunt automate mobile cu aplicatii universale, cu mai multe axe, ale caror miscari sunt liber programate pe traiectorii sau unghiuri intr-o anumita succesiune a miscarilor si in anumite cazuri, comandate prin senzori. Ei sunt echipati cu dispozitive de prehensiune, scule sau alte mijloace de fabricatie si pot indeplinii activitati de manipulare si de fabricatie. Robotul industrial poate fi montat fix, intr-un anumit loc sau poate fi deplasat ca un ansamblu."

Standarde japoneze:

o       "Robotul este un sistem mecanic, dotat cu functiile motoare flexibile analoage cu cele ale organismelor vii sau imitatii ale acestora, cu functii inteligente, sisteme care actioneaza corespunzator vointei omului".

Standarde rusesti

o       "Robotul industrial este o masina automata stationara sau deplasabila, constand din dispozitivul de executie, avand mai multe grade de libertate si din dispozitivul reprogramabil de comanda dupa program pentru indeplinirea in procesul de productie a functiilor motoare si de comanda".

Institutul de Robotica din America (RIA):

o       'Robotul este un manipulator reprogramabil multifunctional, destinat sa deplaseze materiale, piese, scule sau aparate, prin miscari programate variabil, in scopul indeplinirii unor sarcini diferite. Robotul este un echipament cu functionare automata, adaptabil conditiilor unui mediu complex - in care el evolueaza - prin reprogramare, reusind sa prelungeasca, sa amplifice si sa inlocuiasca una sau mai multe din functiile umane in actiunile acestuia asupra mediului inconjurator.'

Asociatiei Britanice de Robotica (British Robot Association):

o       "robotul este un dispozitiv reprogramabil, realizat pentru manipularea pieselor, sculelor si altor mijloace de productie, prin miscari variabile programate, pentru a indeplinii sarcini specifice de fabricatie".

Denumirea de robot se aplica unei familii mai largi, din care fac parte:

manipulatorul;

instalatia de teleoperare;

proteze / orteze;

manipulatoare medicale;

exoschelete amplificatoare;

masini pasitoare;

masini taratoare.

Schema de mai jos defineste familia de roboti:

Clasificarea robotilor industriali conform I.S.O

a)      sursa principala de putere pentru actionare

n      pneumatica

n      hidraulica

n      electrica

b)      comanda miscarii

n      punct cu punct sau fara comanda de viteza : continua sau discontinua

n      comanda pe traiectorie continua

c)      modele de programare

n      prin invatare directa

n      prin generare de traiectorie

n      off-line

d)      tipuri de senzori folositi

n      detectori de pozitie

n      logica liniara simpla

n      senzori de semnale proportionale cu abaterea

Asociatia Franceza de Robotica Industriala (A.F.R.I.) propune urmatoarea clasificare a robotilor industriali:

Manipulatoare cu :

n      comanda sau telemanipulatoare

n      automate cu cicluri prereglate: pneumatice, electrice sau electronice

Roboti :

n      programabili controlati in bucla de pozitie, cu traiectorie continua sau deplasare punct cu punct

n      inteligenti, avind senzori care exclud logica binara simpla si indeplinesc diferite sarcini cu ajutorul sistemelor de recunoastere a formelor

4.3.STRUCTURA ROBOTULUI

Structura unui robot este, defapat, un sistem compus din mai multe subsisteme. Sistem este un ansamblu de parti componente, elemente, si legaturile dintre acestea. Elementele care compun acest sistem se numesc subsisteme. La randul lor subsistemele pot avea si ele subsisteme, din acest motiv exista o ierarhizare si anume sistemul principal se numeste sistem de rangul 1, subsistemele se numesc sisteme de rangul 2, etc.

Modul cum se compune un sistem din subsisteme si legaturile dintre aceste subsisteme definesc structura unui sistem. Aceasta compunere a sistemelor din subsisteme se evidentiaza prin scheme bloc, iar legaturile dintre subsisteme, prin matrici de cuplare (care definesc legaturile dintre 'intrarile' si 'iesirile') si matrici de structura (care ne arata care subsisteme sunt in legatura).

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

Schema bloc al structuri unui robot este:

Sistemul unui robot comunica cu mediul si este compus din urmatoarele:

o       Sistemul mecanic al robotului care are rolul scheletului uman, astfel defineste natura si amplitudinea miscarilor ce se pot realiza.

o       Sistemul de actionare realizeaza miscarea relativa a elementelor mecanismelor din sistemul mecanic, si are rolul sistemului muschiular al omului.

o       Sistemul de comanda emite comenzi catre sistemul de actionare si prelucreaza informatii preluate de la sistemul mecanic, de actionare si de la mediu, are rolul sistemului nervos uman.

o       Traductorii si aparatele de masura preia informatii despre starea interna a robotului, adica deplasari, viteze, acceleratii relative, debite, presiuni, temperaturi.

o       Senzorii preia informatii despre starea "externa' a robotului, caracterizata prin parametrii mediului (temperatura, presiune, compozitie, etc.) si actiunea acestuia asupra robotului (forte, cupluri, etc.).

Traductorii si senzori au rolul organelor de simt.

o     Platformei mobile are rolul de a realiza deplasarea robotilor mobili si face parte din componenta sistemului mecanic, cu rolul aparatului locomotor al omului.

o       Sistemul de conducere este un sistem de rang superior al sistemului mecanic si este compus din sistemul de comanda si cel de actionare.

Robotii actionati hidraulic contin un grup hidraulic pentru prepararea si realizarea circulatiei fluidului purtator de energie (ulei). Acest grup joaca rolul aparatului digestiv si a celui respirator / circulator al omului.

Se intelege prin 'mediu' al robotului spatiul in care acesta evolueaza, cu obiectele continute si fenomenele care au loc in acest spatiu. Totalitatea obiectelor cu care robotul interactioneaza constituie 'periferia' acestuia.

Legaturile dintre componentele robotului si a componentelor care realizeaza legaturile cu mediu sunt :

• directe
• inverse ('feed back').

Legaturi directe avem la sistemul de comanda atunci cand transmite comenzi la sistemul de actionare, iar acesta actioneaza asupra cuplelor cinematice conducatoare, axele, sistemului mecanic, care la randul sau, actioneaza asupra mediului cu efectorul final.

Legaturi inverse sunt informatiile furnizate sistemului de comanda de catre traductoare, senzori si aparate de masura.

Se mai considera legaturi si fluxul de energie dat de mediu sistemului de actionare al robotului, si fluxul de energie disipat de la robot la mediu.

Sistemul mecanic al robotului

In cazul general un robot industrial trebuie sa realizeze:

actiuni asupra mediului inconjurator, cu efectori finali;

perceptie, pentru a culege informatii din mediul de lucru, cu senzori si traductori;

comunicare, pentru schimb de informatii;

decizie, in scopul realizarii unor sarcini.

Pentru realizarea acestor functii, structura unui robot este alcatuita din:

sistemul mecanic;

sistemul de actionare;

sistemul de programare si comanda;

sistemul senzorial.

Sistemul mecanic este constituit din mai multe elemente legate intre ele prin cuple cinematice.

Sistemul de actionare serveste la transformarea unei anumite energii in energie mecanica si transmiterea ei la cuplele cinematice conducatoare.

Sistemul de comanda si programare este un ansamblu de echipamente si de programe care realizeaza miscarea robotului.

Sistemul senzorial reprezinta un ansamblu de elemente specializate transpunerea proprietatilor ale diferitelor obiecte in informatii.

Sistemul mecanic al robotului are rolul sa asigure realizarea miscarilor acestuia si transmiterea energiei mecanice necesare interactiunii cu mediul. Adica are sarcina de a deplasa un obiect. Partea din sistemul mecanic care realizeaza aceasta deplasare se numeste dispozitiv de ghidare sau manipulator.

Se intelege prin manipulare modificarea situarii in spatiu a unui obiect. Utilizarea mainii de catre om a determinat formarea cuvantului de manipulare. Manipularea obiectului se realizeaza prin modificarea situarii bazei efectorului final, cu care obiectul este solidarizat. In acest scop, baza efectorului final este solidarizata cu un element al dispozitivului de ghidare.

Dispozitivul de ghidare are rolul de a da efectorului final miscarile si energia mecanica necesara miscari in conformitate cu actiunea necesitata asupra mediului.

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

Efectorul final al robotului care manipuleaza obiecte se numeste dispozitiv de prehensiune. Din punct de vedere al teoriei mecanismelor, obiectul si partea de baza a dispozitivului de prehensiune formeaza o cupla cinematica de clasa a VI-a, inchisa deobicei prin forta.

Dispozitivele de ghidare pot fi cu:

topologie seriala,

paralela

mixta.

Structura sistemului mecanic al unui robot este :

Situarea, adica pozitia - orientarea, unui corp in spatiul tridimensional este definita cu ajutorul pozitiei punctului caracteristic, si orientarilor dreptei caracteristice, respectiv a dreptei auxiliare.

Punctul caracteristic si dreapta caracteristica / auxiliara la un obiect cilindric se reprezinta astfel :

Se intelege prin:

o       'Punct caracteristic', un punct al obiectului, folosit pentru definirea pozitiei acestuia.

o       'Dreapta caracteristica' este o dreapta care trece prin punctul caracteristic.

o       'Dreapta auxiliara' o dreapta perpendiculara in punctul caracteristic pe dreapta caracteristica.

Cu ajutorul dreptelor caracteristice si auxiliare se defineste orientarea obiectului, de care apartin ambele drepte.

In modelul matematic al sistemului mecanic al robotului, punctul caracteristic este originea, iar dreptele caracteristica si auxiliara reprezinta axe ale unui sistem de referinta cartezian drept legat de obiect.

In variantele cu topologie seriala, un mecanism component al acestuia, numit mecanism generator de traiectorie (mecanism de pozitionare), realizeaza modificarea pozitiei punctului caracteristic si altul, numit mecanism de orientare, realizeaza orientarea dreptelor caracteristic si auxiliar.

Se poate defini:

o       mecanismul generator de traiectorie ca fiind 'bratul' al robotului;

o       mecanismul de orientare ca fiind 'articulatie carpiana', sau 'mecanismul carpian' ('wrist') al robotului.

Efectorul final are mai multe variante constructive:

o           Efectorul final al robotului care prelucreaza obiecte este o scula.

o           Efectorul final al robotului care misca obiecte este manipulatorul.

Energia necesara pentru prelucrare este comunicata sculei prin intermediul robotului sau a unei surse suplimentare de energie, in acest caz efectorul final este un cap de forta cu scula. Capul de forta contine un motor si eventual o transmisie mecanica.

Platforma mobila este o parte componenta a sistemului mecanic care asigura modificarea situarii intregului ansamblu in mediu.

Platforma mobila defineste tipul robotului:

Robot stationar atunci cand nu este inzestrat cu platforma mobila;

Robot mobil cand este inzestrat cu platforma mobila, in acest caz dispozitivul de ghidare modifica situarea obiectului in raport cu platforma mobila.

Constructia modulara a robotilor

Constructia modulara este caracterizata prin:

• Structura sistematica care este compusa dintr-un grup de sisteme si dispozitive care formeaza cuple cinematice conducatoare. Structura sistemica prezinta avantajul ca furnizeaza informatiile necesare pentru analiza cinematica si dinamica a sistemelor de actionare si mecanic ale robotului. Ea prezinta dezavantajul, ca nu reflecta decat partial functiile sistemelor de rang inferior robotului si particularitatile constructive ale acestora.
• Structura functional-constructiva sau structura modulara este cu dispozitive de ghidare cu topologie seriala pentru a evidentia proprietatile functionale si constructive ale robotilor (modul de robot).

Modul al unui robot este un subansamblu care este corelat cu una sau mai multe cuple cinematice ale dispozitivului de ghidare si cu efectorul final.

Modulul de robot corelat cu cupla cinematica conducatoare are partile 'fixe' ale sistemului de actionare aferent cuplei cinematice conducatoare si traductoarelor / senzorilor, solidarizate cu structura de rezistenta a unuia dintre elemente (i sau i+1). Legatura dintre doua module vecine se realizeaza prin intermediul structurii de rezistenta a elementului i. In acest mod, intregul robot cu dispozitivul de ghidare in topologie seriala este de fapt constituit din 'legarea in serie' a unui numar de module.

Modulul de robot corelat cu o singura cupla cinematica poarta o denumire care este definita dupa functia lui in cadrul robotului.

Astfel, exista module de:

translatii de baza;

de pivotare de baza;

de ridicare a bratului;

de basculare a bratului;

de extensie a bratului;

de pronatie - supinatie;

de flexie - extensie;

de aductie - abductie.

Ele sunt reprezentabile schematic dupa normele ISO .

Modulul de orientare al unui robot se coreleaza cu toate cuplele cinematice ale mecanismului de orientare, continand de atatea ori componentele enumerate pentru modulul corelat cu o singura cupla cinematica conducatoare, cate cuple cinematice conducatoare are mecanismul de orientare.

In figura de mai jos se prezinta corelatia dintre structura sistemica si cea modulara (functional - constructiva) a unui robot avand un dispozitiv de ghidare serial cu M = 3.