Schema bloc a partii electrice a unui robot   

In fig.1. se arata o varianta ce descrie sistemul robot, reprezentand mai multe detalii din structura un echipament de conducere uzual.

Elementul central din schema informationala din fig.nr.1.2 este denumit in schema din fig.1 calculator pentru ca are toate caracteristicile calculatorului obisnuit compatibil IBM PC. In realitate exista anumite deosebiri fata de o structura clasica da calculator:

uneori sistemul de conducere al robotului are mai multe calculatoare;

blocul calculator contine si circuite ( de interfata) specifice aplicatiilor de robotica;

sistem de vedere artificiala (care e un alt calculator extern dotat cu camera de luat vederi, capabil sa culeaga informatii din mediu, sa le analizeze, sa le inteleaga si sa le transfere calculatorului central).

Calculatorul central comanda unul sau mai multe microprocesoare/ microcontrolere care, la randul lor, comanda sistemul de actionare.

Sistemul de actionare se compune din sisteme de conducere locale (S.C.L.) realizate la nivelul fiecarei cuple cinematice conducatoare in jurul cate unui motor de actionare. S.C.L.-urile sunt realizate cu o structura de sistem de reglare automata (S.R.A.).

Observatie :S.C.L.-urile asigura conducerea nemijlocita a axelor unui robot.

Terminologia conducere nemijlocita are semnificatia de conducere directa, propriu-zisa, fara intermediar.

In schema bloc din figura 1.2, un S.C.L. (cu structura de S.R.A.) s-a reprezentat prin grupurile: comanda elementul de actionare, elemente de actionare, interfata, traductor; elementul de actionare se compune din motor, transmisie si frane.

Observatie : In utimul timp se utilizeaza termenul de actuator,care provine de la verbul to actuate din limba engleza.Traducerea acestuia in limba romana este a

potrivi,a ajusta.Prin actuator,in functie de context, se intelege motorul cu cel putin o

parte din transmisie si/sau frana .Uneori in actuator se subintelege ca fiind inclusa si o parte electronica (de comanda sau senzor).

Toate aceste elemente lucreaza in bucla inchisa (exista legaturi de reactie inversa - de feed-back) si se constituie intr-un S.R.A.

Pentru fiecare cupla cinematica conducatoare este prevazut cate un S.C.L .

Cea de-a doua schema reprezinta in detaliu partea electrica a unui robot.

Sistemul de conducere al unui robot este implementat fizic cu echipamente

electrice si electronice care,in majoriatea lor, sunt introduse intr-un dulap denumit dulap cu echipamente electrice si electronice.

Nu toate echipamentele electrice se afla in acest dulap:

motoarele de actionare si traductoarele sunt amplasate pe sistemul mecanic;

senzorii sunt amplasati in mediul de lucru al robotului;

panoul de invatare este exterior dulapului;

panoul operator se afla pe usa dulapului

Specific pentru un echipament de conducere a unui robot este panoul de invatare, pentru care in literatura de specialitate se folosesc mai multe denumiri: panou de instruire, modul de instruire, teaching pendant.

Fig.nr.1.Schema bloc detaliata a unui sistem robot

Cu ajutorul panoului de invatare operatorul uman ( O.U.) poate conduce manual robotul spre situarile convenabile executarii operatiilor tehnologice.

Observatie : prin situare se intelege in robotica pozitia si orientarea unui element mecanic sau unui obiect.

Dupa ce a deplasat manual robotul, OU poate comanda depunerea in memoria calculatorului a coordonatelor tinta atinse de catre elementele sistemului mecanic.

Panoul de invatare este prevazut cu o tastatura alfanumerica (litere si cifre) si un afisaj alfanumeric. De regula este dotat si cu un joystick cu care se pot comanda miscarile sistemului mecanic. Este folosit in faza de programare a robotului cand operatorul uman invata robotul ce are de facut si intocmeste programul inscriind instructiune dupa instructiune.

Panoul operator (P.O.) este amplasat pe usa dulapului si este compus din butoane pentru comenzi s becuri de semnalizare. Exemple de butoane:

pornire retea cu cheie;

ciuperca de avarie;

butoane pentru stabilirea regimului manual / automat.

In dulap se afla calculatorul central pentru care exista display, tastatura si unitate de disc. Daca robotul este unul evoluat, atunci el are un calculator capabil sa lucreze cu elemente de inteligenta artificiala.Lucreaza cu programe elaborate la nivel task , fiind capabil sa isi autogenereze programul direct executabil.

Exemplu : un robot inteligent "intelege" o instructiune de tipul "du-te si apuca boltul", pe cand unul mai putin inteligent va intelege numai o succesiune de instructiuni de forma:

determina unde se afla boltul;

deplaseaza-te pana in dreptul boltului;

apropie efectorul final de bolt;

condu efectorul final spre o situare optima pentru apucarea boltului;

apuca boltul.

Observatie: cuvantul task din limba engleza se traduce,in acest context, cu treaba de facut, sarcina.

Pentru robotii obisnuiti calculatorul trebuie sa realizeze modelarea mediului si generarea traiectoriei (modelarea mediului inseamna reprezentarea prin ecuatii matematice a evenimentelor si obiectelor din proces).

Blocul generator de traiectorie transmite semnale de comanda (marimi de prescriere): pozitii, viteze, acceleratii catre sistemul de actionare.

Senzorii fac parte din sistemul de perceptie si sunt amplasati in mediul in care lucreaza robotul.

Exemple : exista senzori de proximitate, de gabarit, de contact si/sau forta/moment , senzori optici,etc.

Sistemul de actionare

La nivelul fiecarei cuple cinematice conducatoare este amplasat cate un motor de actionare. Motorul poate fi electric, hidraulic sau pneumatic.

Observatie: dupa tipul de motoare cu care este dotat si robotul primeste denumirea de robot actionat electric, hidraulic, pneumatic sau mixt.

Motorul genereaza miscarea elementelor mecanice. Miscarea este transmisa ( prin blocul transmisie) la elementele cuplelor cinematice conducatoare actionate.

Motorul este comandat de un circuit electronic si primeste energie de la o sursa de alimentare.

Intregul ansamblu,compus din motor si circuitele electronice care il comanda, constituie un sistem de conducere local (S.C.L.). Intr-un robot exista atatea S.C.L.-uri cate cuple cinematice conducatoare trebuie comandate. S.C.L.-urile sunt realizate cu o structura de sistem de reglare automata (S.R.A).

Observatie: S.R.A. este un sistem in care reglarea se face automat,adica fara interventie din exterior ,spre scopul final urmarit.

Sistemul de actionare se compune din mai multe S.C.L.-uri in functie de numarul de grade de mobilitate ale sistemului mecanic.

Observatie: In fig.3 s-a reprezentat un singur S.C.L. (S.R.A.) si s-a indicat cu "6 6" faptul ca in sistemul de actionare exista 6 astfel de S.C.L.-uri deoarece s-a presupus ca robotul are 6 axe.

Intregul S.C.L. este condus de catre un controler realizat cu microprocesor sau microcontroler. Acesta realizeaza functia de regulator:

preia marimea de prescriere (pozitie, viteza, acceleratie) de la generatorul de traiectorie;

preia informatia cu privire la miscarea executata in realitate de elementele mecanice (care este marimea de reactie) , de la traductorul aferent;

calculeaza abaterea ( eroarea) dintre marimea de prescriere si cea de reactie;

calculeaza marimea de comanda cu care se corecteaza abaterea; calculul se efectueaza cu o formula numita algoritm de reglare ( proiectat de inginerii automatisti) utilizand valoarea curenta a abaterii ;

transmite marimea de comanda electronicii de putere si prin aceasta motorului, pentru a imprima elementelor cuplelor cinematice conducatoare o miscare in sensul anularii abaterii.

Observatii:

cele cinci puncte mentionate anterior se constituie in problema conducerii nemijlocite a elementelor unei cuple cinematice conducatoare ( conducere nemijlocita insemnand conducere directa, fara intermediar);

in unele cazuri intervine si blocul interpolator care genereaza puncte prescrise suplimentar;

o parte din transmisie si frana ( electromecanica) se considera incluse in sistemul de actionare. Astfel, prima roata dintata,prima fata a unui ambreiaj,fulia conducatare a unei curele,etc.dupa caz, se considera ca fac parte din sistemul de actionare ( de aceea s-a facut si delimitarea respectiva pe fig.1).

Ideal ar fi ca un robot sa poata fi condus folosind un regulator global care sa controleze simultan toate miscarile de pe toate axele. Acest mod de conducere nu se implementeaza deocamdata deoarece:

a). traductoarele carteziene care pot urmari miscarea punctului caracteristic in spatiu sunt extrem de scumpe la preciziile pretinse de aplicatiile din roborica;

b). legaturile dintre miscarile pe diferite axe se exprima prin ecuatii complicate ( profund neliniare).

c). volumul de calcule necesar pentru realizarea unei reglari globale este foarte mare si nu se poate realiza in timp real cu nici un calculator convenabil ca si cost la momentul actual.

Din aceste motive, indiferent de modul in care se realizeaza conducerea robotului, miscarea propriu-zisa a sistemului mecanic se conduce cu S.C.L.-uri dispuse la nivelul fiecarei cuple cinematice conducatoare. Este utilizata metoda de conducere distribuita a miscarilor pe axe. Blocuri,de tip S.C.L.,construite anume pentru conducerea unei singure axe mecanice sunt astazi bine puse la punct . Sisteme de acest fel precum si senzorii/ traductoarele aferente se produc la preturi accesibile.

1. Functii ale sistemului de conducere al unui robot

Sistemul de conducere al unui robot a carui schema bloc s-a prezentat in figura 1 are de efectuat mai multe seturi de calcule si de operatii:

calcule de cinematica prin care se determina elementele unei traiectorii: pozitii, viteze acceleratii (termenul "determina" are aici semnificatia se afla si acestea impun);

calcule de dinamica;

interpretarea informatiilor de la senzori si traductoare;

calcule aferente reprezentarii interne in calculator a lumii inconjuratoare;

calcule aferente conducerii robotului , impuse de algoritmele de reglare, in care se tine seama si de calculele de cinematica si dinamica;

comanda sistemelor de actionare si realizarea conducerii nemijlocite a elementelor robotului;

dialogul cu operatorul uman , realizat cu ajutorul unor dispozitive adecvate (display,tastatura,unitate de disc) si folosind programe corespunzatoare.

Operatiile si calculele mai sus enuntate sunt efectuate intr-o anumita ordine si dupa anumite prioritati, in functie de conditiile unei aplicatii concrete. Pentru fiecare grup de calcule pot exista calculatoare dedicate sau blocuri software ( pachete de programe) specializate.

Grupele de calcule si comenzi enuntate anterior se pot imparti principial in trei grupe mari de sarcini ale unui sistem de conducere al robotului.

A.     Modelarea mediului

Reprezentarea cu relatii matematice a mediului de lucru, a elementelor bratului robotului si completarea acestor reprezentari cu informatii furnizate de senzori inseamna modelarea mediului.

Cu aceasta grupa de sarcini se face reprezentarea succesiva a etapelor procesului tehnologic ( P.T.). si se determina configuratia dispozitivului de ghidare

( D.G.) in fiecare etapa de proces. La robotii mai putin evoluati modelarea mediului se face prin invatare.

B.     Specificarea, Generarea si Controlul miscarii

Reprezinta grupa principala de sarcini ale sistemului de conducere al robotului.

Scopul conducerii unui robot este acela de a determina sistemul mecanic sa se deplaseze unde si cum pretinde P.T. si eventuale impuneri suplimentare.

Observatie: efectorul final ( E.F.) al unui robot trebuie condus in anumite locuri cu o anumita orientare ( conteaza si pozitia si orientarea sa, deci conteaza situarea E.F.).

Conducerea presupune o etapa de specificare a miscarilor, pornind da la conditiile initiale date, si o etapa de comanda si reglare a acestora in vederea executarii lor corecte.

C.     Dialogul cu operatorul uman

Aceasta functie apare ca de la sine inteleasa intrucat toate comenzile si operatiile efectuate de catre sistemul de conducere se efectueaza pe baza unui dialog cu operatorul uman.

Dialogul este mijlocit de dispozitive hardware adecvate (tastatura, display, unitate de disc) si se implementeaza cu limbajul de programare.

Programele prin care se realizeaza modelarea mediului ( grupa A ) si specificarea , generarea si controlul miscarilor ( grupa B) presupun dezvoltari software laborioase, utilizandu-se limbaje de programare evoluate ( Pascal, C++,.).

Controlul miscarilor presupune, in plus, elaborarea unor programe pentru controlerele de ax ( microprocesoare). Acestea se programeaza in limbaj de asamblare ( cel mai putin evoluat limbaj de calculator). Pentru scrierea acestor programe trebuiesc cunoscute in detaliu caracteriicile componentelor( microprocesor / microcontroler) care constituie controlerul.

Realizarea programelor pentru grupele A si B de sarcini revine numai programatorului cu experienta care concepe o structura software prin care robotul devine functional. Ansamblul acestor programe constituie software-ul de baza al robotului.

Utilizatorul direct al robotului are la dispozitie un umar de instructiuni ( " de programare a robotului") compus ,de regula,din cca 25-30 instructiuni. Acestea sunt date in cartea tehnica a robotului si sunt, de fapt, numai niste functii si proceduri ale software-ului de baza.

Un program de lucru consta din insusirea logica a unora dintre instructiunile din cartea tehnica a roborului si nu presupune cunostinte inalte de programare. Aceste programe de lucru, prin care de fapt se realizeaza dialogul cu operatorul uman ( grupa C), sunt preluate, prelucrate si executate apoi de software-ul de baza.