Comentarii asupra legilor enunatedeAsimov (http://www.androidworld.com/prod22.htm)

Prima lege face imposibile pentru androizi cariere ca cea de poliist, soldat, body guard. Dac prin prima lege este posibil protecia omului contra violenei din partea robotului antrenarea roboilor n activiti ilegale sau imorale este foarte dificil de prevenit (vezi ex. 2). Respectnd forma original a celei de a doua legi apar situaii bizare cnd robotul este deturnat de la o activitate impus de stpnul lui de ctre un alt om, care i ordon o alt sarcin. Exemple de situaii neacoperite de legile lui Asimov 1. Un android vede doi oameni aflai ntr-o disput violent. i dac intervine pentru a-i obliga s nceteze disputa i dac nu intervine ncalc prima lege. 2. Domnul X exasperat de vecinul Y hotrte s-l ucid. i cheam robotul creia i d o serviet n care a introdus fr tirea androidului o ncrctur exploziv i o scrisoare ctre vecin, apoi l instruiete s se duc s nmneze scrisoarea destinatarului. Domnul X urmrete aciunea i cnd androidul nmneaz scrisoarea detoneaz explozibilul prin telecomand. 3. Civa androizi observ un sinuciga aruncndu-se de pe un pod n ap. Vor sri toi amdroizii s salveze omul chiar dac nu tiu s noate ?. Robert J. Sawyer (http://www.sfwriter.com/rmasilaw.htm) argumenteaz c legile lui Asimov nu au nici o aplicabilitate practic azi i cu att mai mult n viitor. 10

MANIPULATORI MANUALI - acionai direct de operatorul uman;

ROBOI SECVENIALI - efectueaza repetitiv o succesiune de operaii Funcie de uurina modificrii operaiilor programate se disting: - RI cu secvene predeterminate; - RI cu secvene variabile.

ROBOI REPETITORI (PLAYBACK) - se programeaz prin metoda netextual, teach-in, antrenare;

ROBOI CU COMAND NUMERIC - execut operaiile programate n conformitate cu informaiile numerice referitoare la poziii, orientri, succesiuni de operaii etc.

ROBOI INTELIGENI sau generaia a treia de RI.

n mod particular n Japonia se consider roboi i manipulatoarele, spre deosebire de restul lumii, unde n general se accept denumirea de robot doar dac acesta este condus cu calculatorul, situaie n care se numete sistem robot.

Criteriul 1: informaia de intrare i modul de nvare (JARA-Japanese Robot Association)

3. SISTEMATIZARI ALEROBOILORINDUSTRIALI

11

The Robotics Institute of America (RIA) recunosc patru clase de roboi:

1. Dispozitive manuale de manipulare cu control manual similari manipulatorilor manuali definii de JARA

2. Dispozitive automate de manipulare cu cicluri predeterminate similari roboilor secveniali cu cicluri predeterminate definii de JARA

3. Roboi programabili, servo comandai cu traiectorii PTP sau continue similari RI cu CN definii de JARA

4. Roboi care satisfac specificaii tip C care prelucreaz informaii din mediul extern pentru micri inteligente similari RI inteligeni definii de JARA

S

12

Criteriul 3: sistemul de coordonate asociat lanului cinematic de poziionare

ROBOI N COORDONATE CARTEZIENE: genereaz un spaiu de operare paralelipipedic. ROBOI N COORDONATE CILINDRICE: genereaz un spaiu de operare delimitat de dou suprafee cilindrice concentrice si dou plane perpendiculare pe axa comun. ROBOI N COORDONATE SFERICE: genereaz un spaiu de operare cuprins ntre dou suprafee sferice cu acelai centru. ROBOI N COORDONATE UNGHIULARE: genereaz un spaiu de operare complex cu alur sferic

Fig. 3. Schemele lanurilor de poziionare a RI n coordonate carteziene, cil. sferice i unghiulare

(pentr

u deta

liere a

psai

butonu

l cor

espunz

tor d

e pe f

igura

3)

CONTINUARE

13

Terminologie

LAN CINEMATIC DE POZIIONARE (LP) - lan cinematic deschis cu rolul de poziionare a punctului caracteristic solidar cu obiectul manipulat. LP are un gabarit mult mai mare dect lanul de orientare i n consecin determin forma spaiului de operare a RI. n viziune antropomorfic este similar ca funcionalitate cu braul +antebraul uman.

LAN CINEMATIC DE ORIENTARE (LO) - lan cinematic deschis cu rolul de orientare, deplasare unghiular n jurul punctului caracteristic. n analogie antropomorfic LO corespunde ncheieturii minii.

LAN CINEMATIC DE GHIDARE (LG): LG = LP LO. (LP nseriat cu LO).

14

n afar de cele patru tipuri de roboi: cartezieni, cilindrici, sferici i unghiulari mai exist structuri hibride:

Robot cu structur hibrid ntre unul portal simplu i unul n coordonate unghiulate

Robot creat din combinarea unuia n coordonate cilindrice i unul articulat 15

Conform IFR (International Federation of Robotics) i IPA Stuttgart, n afar de cele patru structuri anterior definite se mai adaug: roboiiSCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) i roboiiparaleli (bazai pe platforme Stewart sau Delta).

Fig. 4. Schema unui robot SCARA Fig. 5. Schema unei platforme Stewart

16

ROBOINCOORDONATECARTEZIENE

RI n coordonate carteziene (RICar) au un LP format doar din cuple T reciproc . Acetia se utilizeaz ca RI cu baza la sol (fig. 6a) sau ca RI suspendai (fig.6b), care n cazul RICar se numesc RI portal. n general, RICar de dimensiuni medii i mari sunt acionai electric, la cei modulari de dimensiuni mici sau medii se utilizeaz acionarea pneumaric.

Fig. 6. RICar cu baza la sol (a) i suspendat tip portal simplu (b) [SIC04]

a b

17

Fig. 6 b. Schema unui RI portal simplu (a), RI portal dublu (b).

Avantaje RICar: - au rigiditate mare, n consecin pot manipula obiecte relativ grele, utilizndu-se ca RI pick and place, paletizare, ncrcare MU; - sunt simplu de programat; - RI portal ocup puin spaiu la sol, dezvoltndu-se pe vertical unde n general ntr-o secie productiv este mai mult spaiu liber. n consecin accesul la utilajele pe care le servete este mai puin restricionat; - eroarea cinematic de poziionare este constant n orice punct al spaiului de operare, n consecin sunt utilizai i ca RI de msurare (er. cin. de poz. este dependent doar de precizia de realizare a valorilor programate a coordonatelor generalizate ale LP).

Dezavantajele RICar: - necesit un spaiu de lucru (de funcionare) mare, fenomen deranjant mai ales la RICar cu baza la sol; - avnd suprafee relativ mari de ghidare a cuplelor T (cupla T nu este o cupl compact) sunt necesare protecii antipraf, anticorozive. 18

Exemple Familia de RI XM3000, prod. EPSON (www.robots.epson.com/)

Lan de ghidare simplu deschis

Construcie modular 2...4 axe

Spaiul de operare paralelipipedic: - XY: 200 x 300mm ... 1000 x 600 mm - Z: 100,150, 300 mm - : +/- 3600

- Precizie repetabilitate XY: 0.015 mm - Timp de ciclu standard (1-12- 1): 0.5 s - Capacit. nc. pt. 4 axe: 2 ... 4 kg - servo motoare electrice

- tr. urub fix- piuli mobil

Fig.7. Vedere a unui RI din familia XM300

19

RI portal simplu, dublu n concepie modular

Fig. 8. RI portal IRB 840, produs de firma ABB (www.abb.com/robotics) IRB 840 este destinat ncrcrii mainilor, operaiilor de paletizare, manipulrii de materiale RI este construit modular. Caracteristici:capacitate de ncrcare 150 kg, repetabilitate 0.2 mm, viteze maxime: Vx, Vy=2.7 m/s, Vz=2 m/s, acceleraia maxim 4g.

20

Exemplu de unitate flexibil de prelucrare prin strunjire unde transferul semifabricatelor este realizat de un robot portal simplu.

Clipuri n folderul RI Coord CARTEZ 21

ROBOI N COORDONATE CILINDRICE

RI n coordonate cilindrice (RICil) au o cupl R de pivotare i dou cuple T perpendiculare R II T T. Aceast structur genereaz un spaiu de operare cilindric i este raional pentru posturi de lucru plasate n jurul RI. Cum o astfel de configuraie pentru celule flexibile de prelucrare are dezavantaje, actualmente RICil nemodulari cu funcii de ncrcare-descrcare maini unelte sunt rari. n plus avnd dou cuple T sunt necesare protecii ale ghidajelor. Uzual sunt acionai electric, sau fluidic n cazul celor modulari, Structura are o rigiditate mecanic relativ mare, n general este viabil pentru manipulatoare modulare de dimensiuni relativ mici. Precizia de poziionare scade pe direcie radial

[SIC04]

22

Fig. 8a. Vedere a RICil RT330, firma SEIKO

RT 330, prod. SEIKO (www.seikorobots.com)

Construcie nemodular 4 axe

Spaiul de operare cilindric.

- Precizie repetabilitate: 0.025 mm - Repet. axa de rotaie a preh: 0.030 - Capacit. ncrcare : 5 kg - Timp de ciclu: 0.76 s. - Servomotoare electrice CA fr perii

Fig. 8b. Vedere a unui RICil modular, cu acionare pneumatic, format pe baza setului modular Gemotec, www.gemotec.de

23

ROBOINCOORDONATESFERICE

[SIC04]

RI n coordonate sferice sunt n general acionai electric, au o precizie de poziionare descresctoare radial. Actualmente aceast structur este rar aplicat datorit problemelor de gabarit pe care le ridic cupla T.

24

ROBOI N COORDONATE UNGHIULARE

Roboii n coordonate unghiulare (RIUng sau RI antropomorfi) sunt cei mai populari RI, avnd urmtoarea structur a lanului de poziionare: R R II R.

[SIC04] RI n coordonate unghiulare: n componena LP untr axele 1,2 i 3, restul aparin LO.

25

Avantaje: - Datorit utilizrii doar a policuplelor R, care sunt compacte, RIUng care au un LC simplu deschis sunt zveli, deci spaiul de funcionare este mai mic dect la alte tipuri. - RIUng au un spaiu de operare aproximativ sferic, relativ mare comparativ cu dimensiunea RI. - Exist posibilitatea echilibrrii braului robot, fapt ce mbuntete proprietile dinamice ale RI. - Cvasimajoritatea lor sunt acionai electric prin servomotoare cu CC. - RIUng sunt RI universali utilizai n manipularea materialelor, paletizri-depaletizri, ncrcare-descrcare MU, utilaje, sudur n puncte, cu arc, cu laser, vopsiri prin pulverizare, aplicri de adezivi, inspecie etc.

Dezavantaje - Nu au rigiditate mare, ns aceasta poate fi mbuntit prin includerea unui contur motor pentru ultimele dou cuple R II R ale LP (vezi clip M-2000iA Automotive Body Transfer Robots - FANUC.flv). - precizia cinematic de poziionare este dependent de poziia punctului caracteristic n spaiul de operare. 26

Fig. 10a. RIUng familia KR350 Productor KUKA Roboter (www.kuka-roboter.de)

27

Fig. 10.b Construcia modular a familiei de roboi KR350

Caracteristici KR350/2:

- cap. nc. : 350 kg - sarcin supl: 150 kg - 6 axe servomot. CA - prec. repet . 0.25 mm - montare la sol, tavan

28

Fig. 10c. Spaiul de operare a familiei de RIUng KR350 29

Alte arhitecturi de RI n coordonate unghiulare

SV3X - cap. nc. : 3 kg - prec. repet. : 0.03 mm - fiab. mare: 52000 MTBF (Mean time between failures )

Se observ simetria fa de planul median vertical care asigur sarcini excentrice minime i distribuia motoarelor electrice coaxial sau foarte aproape de axele LG. Atenie la soluia de dubl lgruire.

UP20 cap. nc.: 20 kg - prec. repet. : 0.06 mm

RI UP 20 asigur viteze mari de manipulare. Este optimizat dinamic, se pot programa i acceleraiile, decceleraiile. Fig. 11. Roboti universali produi de MOTOMAN (www.motoman.com)

a. SV3X, b. UP20 30

Lightweight Arm - LWA 3 SCHUNCK

Technical data Repeatability: 1 mm Power supply 24 VDC / 20 A battery operation possible Payload 5 kg Brushless servomotors with Harmonic Drive power trains

Modu

l de r

otaie

cu co

ntrole

r integ

rat

7 GRADE DE MOBILITATE

Arbori eav prin care trec cablurile

31

ROBOI SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm)

RI SCARA (RISca) sunt RI cu lan de ghidare simplu deschis R II R II C (R-cupl de rotaie, C- cupl cilindric), deci au n general grad de mobilitate 4. Aceast structur este de inspiraie antropomorfic i imit braul uman n poziie de lucru paralel cu o mas de lucru.

[SIC04] 32

Datorit configuraiei specifice a LG, RISca au o rigiditate mai mare pe direcia axelor de micare i una mai redus n planul braului (complian selectiv). Aceast particularitate i recomand pentru lucrri de asamblare de sus n jos. Avnd trei cuple R cu axe paralele i o singur cupl T, pe ultima poziie a LG, problemele ridicate de protejarea i etanarea cuplelor nu sunt dificile, n consecin RISca pot lucra n medii agresive (dustproof robot) sau n medii care necesit condiii de curenie deosebite (cleanroom robot). RISca au precizii de poziionare care scad pe direcie radial, acionarea este electric.

Din analiza ofertei de RISca a principalelor firme productoare rezult: - RISca au capaciti de ncrcare 2 ... 20 kg. - precizia de repetabilitate este mare: 0.01 ... 0.025 mm. - RISca sunt rapizi, ciclul de lucru standard (25-300-25mm): 0.3 ... 0.5 s.

33

n consecin pe lng lucrrile de asamblare mai sunt folosii la ncrcarea-descrcarea mainilor, manipulare materiale, inspecii, lucrri de laborator medical (cleanroom robot). Sunt potrivii n aplicaiile unde sunt necesare acceleraii constante pe traiectorii circulare: vopsiri prin pulverizare, aplicri de adezivi. Datorit rigiditii relativ mari pe direcia axelor de micare pot fi utilizai la efectuarea de guriri care nu necesit fore axiale mari.. Un dezavantaj al RISca este nlimea relativ mare care impune existena unui spaiu liber deasupra.

n afar schemei clasice de montaj anumii roboi SCARA pot fi instalai pe perei verticali, pe tavan i pe console.

34

Complian (sau complean [STA96]): gradul de elasticitate a unui sistem mecanic, definit ca raport ntre deplasare i fora aplicat (este inversul rigiditii).

35

Noua generaie de roboi SCARA EPSON G

(www.robots.epson.com)

Caracteristici: - cap. nc. max.1 ... 30 kg; for de inserie: 50250N; precizie de repetabilitate: 0.005 ... 0.025 mm; ciclul de lucru standard (25 x 300mm): 0.29 ... 0.42 s; spaiu de operare: Rmax=175 ... 1000mm.

36

Roboi scara cu baza pe tavan au spaiu de operare maximizat (nu exist spaiu central inaccesibil)

37

Celule flexibile cu dispunere circular robotizate Celule flexibile de asamblare cu dispunere liniar robotizate

Operare cu piese paletizate: comparaie ntre spaiul necesat operrii cu trei palete pt. un RI scara suspendat i unul cu baza la sol 38

Hirata SCARA Robot AR-Z 1000E www.hirata.de

Roboii AR-Z 1000E sunt destinai paletizrilor /depaletizrilor de pe paletele europene 1200 x 800mm. 39

Roboi Kawasaki, tip SCARA, pentru medii curate, manipulare plci cu circuite integrate

40

Identificarea intei i generare automat de cod pentru atingerea acesteia

41

MELFA Robots RP Series MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION

Datorit introducerii unui mecanism paralelogram, ca parte terminal a mecanismului de poziionare, crete rigiditatea sistemului i precizia.

Fig. 14. RI tip SCARA RP-1AH

42

43

Fig. 14b. Spaiul de lucru al RP-3AH

44

Vezi clipul RP-1AH SMD parts mounting.flv

ROBOIPARALELI Denumirea de robot paralel (RIPar) provine de la structura mecanismului de ghidare format dintr-o platform fix (baza), una mobil pe care se monteaz end-efectorul i un numr oarecare (minimum dou) de lanuri cinematice independente, identice, care lucreaz n paralel, ale cror extremiti se afl pe cele dou platforme (fig. 15).

RIPar aplicai industrial au n general mobilitatea 4 (realizeaz doar poziionare complet (3 gr. mob) i un grad de mobilitate pentru orientare), sau 6 (poziionare i orientare complete). Spaiul de operare a roboilor paraleli are o form care depinde de gradul de mobilitate al mecanismului complex nchis, avnd n general alura unei calote sferice i practic cilindric cu nlime mic. O structur de succes din prima categorie (4 gr. mobilitate), care st la baza mai multor RI comerciali este RIPar DELTA.

Acest RI utilizeaz ca LC de legtur ntre platforme un lan articulat monomobil. Pentru acionare se folosesc motoreductoarele 3. Cele trei mecanisme de legtur pot realiza doar poziionarea platformei 8. Pentru rotirea axial a end-efectorului 9 s-a mai ataat LC telescopic 14, acionat de motoreductorul 11.

Platformele Stewart au o construcie principial asemntoare avnd n componen 6 motomecanisme de legtur care pot conine i motocuple T. Fig. 15. Schema RIPar tip DELTA 46

RIPar au urmtoarele caracteristici: Avantajoase: - Avnd la baz mecanisme spaiale nchise au o rigiditate apreciabil, mult mai mare dect RI seriali (care au ca LG un LC simplu deschis). - Erorile cinematice de ghidare nu se cumuleaz ca la RI seriali ci eroarea total este o medie a acestora. n consecin RIPar au o precizie de repetabilitate relativ mare. - Au o frecven natural nalt. - Dac motoarele se plaseaz pe platforma fix, masele n micare sunt mici i calitile dinamice vor fi foarte bune, n consecin se pot lucra cu acceleraii mari.

Dezavantajoase: - Baza (platforma fix) ocup n general o suprafa relativ mare. Dac RIPar lucreaz ca RI suspendai, acest dezavantaj este parial eliminat. - Spaiul de operare este relativ mic, de form complex, care ascunde singulariti. - Modelul geometric direct i cel dinamic au complexitate mare. - Algoritmii de comand sunt complicai datorit complexitii structurii RIPar i a puternicei neliniariti a mecanismului spaial, nchis de ghidare.

Termeni similari: robot paralel, manipulator paralel, platform Stewart, platform Gough-Stewart, platform Gough, platform mobil, mechanism paralel, Parallel Kinematic Machine (PKM), hexapod.

47

- Vibraie forat: e o vibraie cauzat de o for vibratorie, spre exemplu un dezechilibru, ce oblig maina sau structura ei s vibreze la o frecven egal cu cea a forei vibratorii. - Vibraii libere: sunt vibraiile care apar cnd, o main sau structura ei, vibreaz n absena unei fore externe, spre exemplu, situaia cnd au fost ndeprtate vibraiile forate. - Frecvena conductoare: este frecvena unei vibraii forate. - Frecvena natural: este frecvena la care o main sau structura ei vibreaz, atunci cnd este sub influena "vibraiilor libere. Este o frecven la care maina prefer s vibreze. De exemplu, cnd un clopot este lovit, el va vibra la frecvena pentru care a fost proiectat. Majoritatea utilajelor dinamice sau structurilor au mai multe frecvene naturale la care ele vibreaz, n special datorit faptului c ele sunt compuse din mai multe subansamble care, la rndul lor au fiecare n parte frecvena lor natural. Orice for instantanee aplicat, (spre exemplu, dac lovim structura cu un ciocan), poate cauza excitaia la una sau mai multe frecvene naturale.

48

Avnd n vedere caracteristicile enumerate mai sus, RIPar implementai n mediul industrial s-au dezvoltat pe dou direcii: 1. RIPar pick&place pentru obiecte relativ uoare (10g ... 10 kg). Acest tip de RIPar au cicluri de lucru standard mici i precizii de repetabilitate mari. Astfel, sunt frecvente productiviti de 120 cicluri/min la acceleraii 12 g i precizii de repetabilitate de 0.2 mm. Pentru atingerea unor astfel de performane motoarele sunt plasate pe platforma fix (fig. 14), partea mobil trebuie s fie uoar i rigid (vezi IRB 340 FlexPicker System care utilizeaz elemente cinematice din fibre de C, fig. 15). 2. RIPar pentru sarcini relativ mari, unde intereseaz mai mult precizia dect viteza. Acetia utilizeaz uzual ca mecanisme de legtur cilindri hidrostatici cu cuple sferice la capete, care asigur un raport for-mas foarte bun, sunt simpli i robuti. Se mai aplic i mecanismele urub-piuli (vezi F200i fig. 19 ). Aplicaiile curente ale celei de a doua categorii de RIPar sunt: - RI tehnologici, care execut operaii de debavurare, polizare, frezare etc. - Simulatoare de zbor: aplicaie implementat de Stewart n 1965. - Testare anvelope auto (prima aplicaie ralizat de Gough i Whitehall 1962). - Platforme pitoare (Univ. din Waseda, Japonia, laboratoarele Takanishi). - Dispozitive de fixare reconfigurabile (Univ. din Wisconsin-Madison). 49

RoboiparalelitipDELTAdisponibilipepia

Fig. 16a. IRB 340 firma ABB Fig. 16b. C33 firma SIG Pack Systems (www.abb.robotics.com) (www.sig-robotics.com/ )

IRB 340: 4 axe; cap.nc. 1 kg; product. 150 cicluri/min; prec. repet. 0.1 mm; vit. max. 10 m/s, acceleraie max. 10g, timpi de ciclu standard: obiect 0.1 kg, 25-300-25 mm 0.40 s, pt. 1 kg 0.45 s, pt.ciclul nestandard 100-700-100 mm la 0.1 kg o.6 s iar la 1 kg 0.7 s, echip. standard cu preh. vacuumatic. 50

Fig. 17. RIPar TR600 produs de Neos Robotics

51

Fig. 18. Linii de mpachetare n cofraje, RIPar Dela cu ghidarea vizual tip IRB 340

Vezi fisiere video: ABB FlexPicker2-IMA-2m10s.wmv

52

Fig. 19 a. Maini de frezat cu mecanisme DELTA, Stewart (www.parallemic.org) 53

Fig.19.b. F200 i produs de FANUC Robotics (www.fanucrobotics.com/)

Caracteristicile RIPar F200 i, Fanuc:

- 6 grade de mobilitate; - capacitate ncrcare 100 kg; - viteza max. pe axa Z 0.3 m/s; - viteza max. n plan XY: 1.5 m/s; - precizie repetabilitate 0.1 mm

Aplicaii unde se cere rigiditate mare i precizie nalt de repetabilitate - ndeprtare de material; - sudur; - manipulare scule; - manipulare precis obiecte relativ grele - fixare flexibil a semifabricatelor (nlocuiesc reazemele sau bridele dedicate, vezi slide-ul Dispozitive de prindere reconfigurabile)

54 Vezi clipul IBAG High Speed Spindle-49s.mp4

DISPOZITIVE DE ASAMBLARE RECONFIGURABILE

La Univ. Wisconsin-Madison s-au proiectat i implementat dispozitive reconfigurabile (flexibile) pentru prinderea pieselor n procese de asamblare. S-au utilizat platforme Stewart produse de firma Fanuc. Reconfigurarea se face foarte rapid, forele i preciziile realizate sunt suficiente pentru operaii de asamblare sau sudur.

55

Top Swing robotul antrenor al juctorilor de golf

Conceptul robotului Top Swing s-a bazat pe constatarea c este mai eficient antrenarea prin executarea complexului de micri (memoria corpului) dect de exemplu prin vizualizarea acestora.

Robotomecanismul este o platform Stewart modificat n sensul c pentru mrirea spaiului de operare i pentru mbuntirea dinamicii, pe platforma de baz sunt plasate 6 motocuple de translaie(vezi i soluia bazat pe mec. Delta de la MUCN INDEX-Werke Vertical Line V100). Crosa este solidarizat de platforma mobil i inut de juctorul de golf.,

Funcie de nlimea, greutatea i particularitile motrice ale juctorului robotul ii adapteaz micrile pentru optimizarea performaei loviturii. Sunt implementate i micrile unor campioni, care pot fi reproduse. 56

Sistemul este prevzut cu senzori de poziie astfel c se pot ridica grafice ale micrii i vitezei.

57

4. PRINCIPALII PARAMETRI TEHNICI AI ROBOILOR INDUSTRILI

1. Capacitatea de ncarcare nominal: masa obiectului manipulat + masa prehensorului, sau doar masa endefectorului dac se efectueaz operaii tehnologice, pentru care se garanteaz realizarea caracteristicilor de exploatare. Raportarea se face fa de un un punct situat pe flana ultimului element cinematic al LG. Numeroase firme indic distana maxim a centrului de mas a prehensorului+obiect fa de flan i excentricitatea maxim fa de axa normal pe flan. n anumite prospecte se specific doar momentele de inerie i de ncovoiere maxime asociate ultimelor cuple ale LG Fig. 20. Exemplu de diagram de ncrcare

2. Mobilitatea RI: numrul de grade de mobilitate a lanului de ghidare a RI (nu se ia n considerare gradul de mobilitate a prehensorului). 58

3. Parametrii cinematici - plajele deplasrilor n cuplele LG, viteze, acceleraii maxime, Timpul necesar atingerii vitezei de 1 m/s, plecnd de la 0 m/s. Acestea se refer la TCP.

4. Timpul de ciclu standard - este o msur a productivitii fiind semnificativ mai ales pentru RI pick&place.

5 Precizia de poziionare. Se refer la TCP i urmrete sub dou aspecte: 5.1. Eroarea de poziionare - abaterea organului de lucru fa de poziia programat (diferena dintre poziia comandat i centrul de mas a poziiilor atinse). Se mai utilizeaza termenul de precizie absoluta (accuracy). 5.2. n prospecte se indic n general doar eroarea de repetabilitate (raza sferei cu centrul de mas al poziiilor efectiv realizate) sub forma , n conformitate cu testele ISO. Mai rar se indic i eroarea traiectoriei de lucru: abaterea traiectoriei reale fa de cea programat, semnificativ la RI de sudur, tehnologici. Pentru manipulatoare programate teach-in se utilizeaz doar eroarea de repetabilitate.

59

Poziii obinute sub ncrcarea 1

Poziii obinute sub ncrcarea 2

Poziia dorit

Pentru un punct int din SO se obin erori diferite de repetabilitate la ncrcri diferite i configuraii diferite ale RI.

5.3. Rezoluia de poziionare (resolution) distana dintre dou poziii adiacente pe care le poate atinge endefectorul, pe o traiectorie oarecare. n practic este foarte dificil de determinat datorit numeroaselor surse de eroare.

Uzual ntre cele trei tipuri de precizie exist proporiile:

ER. ABSOLUT> ER. REPETABILITATE > REZOLUIE 60

8. Masa total a RI, gabaritul, suprafaa ocupat, locul de montaj (la sol, pe pereii verticali sau pe tavan). 9. Fiabilitatea msurat ca MTBF (Mean time between failures timpul mediu ntre defectri), valori de 50000-100000 ore sunt curente pentru RI. De exemplu RI MOTOMAN au MTBF>100000 h (100000/24.365=11,4 ani !!!!) cu timpi medii de reparaii (Mean Time To Repair (MTTR)) de 10 minute. 10. Condiii de mediu (domeniul temperaturilor admisibile, nivelul maxim al vibraiilor, al zgomotului existent n mediu), gradul de protecie. 11. Controlerul i acionarea: parametrii surselor de energie; capacitatea memoriei; metoda de programare (textual-limbajul utilizat, netextual); interfee. A se analiza prospectul RI: LR Mate 200iC Series_10.pdf

6. Spaiul de lucru (funcionare) - spaiul necesar funcionrii RI (generat de toate elementele RI, nu numai de TCP, locul geometric generat).

7. Spaiul n care se poate gsi endefectorul se numete spaiu potenial de operare (SPO). Subspaiul SPO n care endefectorul ii ndeplinete funciile impuse spaiu efectiv de operare (SEO). Dac nu se face deosebirea ntre SPO i SEO se poate utiliza termenul generic de spaiu de operare (SO). n prospecte se indic forma exact a SO, volumul SO i raza maxim atins de ctre braul RI.

61

Bibliografie general n limba romn

[DIA01] Diatcu E, Arma I Bazele Roboticii i mecatronicii. Ed. Victor, Bucureti, 2001. [DRI85] Drimer D. sa. Roboti industriali u manipulatoare. Ed. Tehnica. Bucuresti 1985. [DUD87]Dudi Fl. a Curs de mecanisme. Fascicula 4. Cinematica Mecanismelor articulate. Mecanisme clasice. Robotomecanisme, Universitatea Transilvania din Brasov, 1987. [DUD89] Dudi Fl. Sa Mecanismelor articulate. Ed Tehnica, Bucuresti, 1989. [EPA97] Eparu I. Bdoiu D. Elemente de mecanic teoretic i de modelare a structurilor Roboilor industriali, Ed. Tehnic, Bucureti, 1997. [HAN96] Handra-Luca V. .a. Roboi. Structur, cinematic i caracteristici. Ed. Facla. Cluj, 1996. [ISP90] Ispas V. Aplicaiile cinematicii n construcia manipulatoarelor i roboilor industriali. Ed. Academiei romne. Bucureti, 1990. [KOV82] Kovacs F. Cojocaru G. Manipulatoare, Roboi i aplicaiile lor industriale. Ed. Facla, Timioara., 1982. [KOV94] Kovacs F. a. Sisteme de fabricaie flexibil robotizate. Reprobrafia Unv Tehnice Timioara, 1994. [MUN95] Munteanu O. sa. Bazele roboticii. Roboti industriali. Ed. Lux Libris 1995. [NEA02] Neagoe M. Cinematica roboilor industriali. Precizia roboilor. Ed. Univ.Transilvania din Brasov, 2002. [PAU92] Punescu T. Robotizarea proceselor tehnologice in constructia de masini. Univ.Transilvania din Brasov, 1992. [PAU 98] Punescu T. Celule flexibile de prelucrare. Modelare, simulare i optimizare. EdituraUniversitatii Transilvania din Brasov, 1998. [POP94] Popescu P, Negrean I a. Mecanica manipulatoarelor i roboilor. Vol I, ..., IV. Ed. Didactic i Pedagogic. Bucureti, 1994. [POZ00] Pozna C, Comanda i controlul roboilor industriali. Ed. CIT. Braov, 2000. [STA96] Staretu I. Sisteme de prehensiune. Ed. Lux Libris, 1996. [STA01] Stareu I a Mini mecanice. Mecanisme antropomorfe de prehensiune pentru protezare i roboi. Editura Lux Libris, Braov 2001. [STA04] Stareu I Elemente de robotic medical i protezare. Editura Lux Libris, Braov 2004. [VN99]Vntu M Programarea roboilor industriali. Ed. Aldus, Braov 1999.

62

[SIC04] Siciliano B. Robotica industriale. Slide-uri curs. www.prisma.unina.it [BOR03] Borangiu Th. Advanced Robot Motion Control. Ed. AGIR. 2003 [BOR02] Borangiu Th. Robot Modelling and Simulation. Ed. AGIR. 2002 [BOR01] Borangiu Th. Robot-Vision. Mise en oeuvre en V+. Ed. AGIR. 2001 [WES00] Westerlund L. The Extended Arm of Man. A History of the Industrial Robot. . Informationsfolaget.2000.

Bibliografie general, volume publicate n englez

Prospecte ale firmelor: ABB, Adept Technology, Reiss, Bosch, Epson, Kuka, Fanuc, Gemotec, Straubli, Denso Robotics, Montech, Mitsubishi Electric Corp., Cloos, Matshushita, Eshed, Parker, PHD Inc., Kawasaki Heavy Industries, SIG Schweizerische Industrie, Buximat, Fibro, Robohand,Comau, Motoman, Hirata, Neuronics, Piab, GeigerHandling, Nachi Robotics, Leuze, Robots 4 Welding, Grip Gmbh, Sapelem, Schunk, Techno Sommer, Care-o-bot, FlexPaint, Pyxis, .

63

Tudor Punescu RPTCM

LANURI CINEMATICE DE GHIDARE, POZIIONARE, ORIENTARE I VERTEBROIDE

1

GHIDAREA, LANURILE DE GHIDARE

POZIIONAREA, LANURILE DE POZITIONARE

ORIENTAREA, LANURILE DE ORIENTARE

MICROORIENTAREA, LANURILE VERTEBROIDE

LANURI CINEMATICE DE GHIDARE, POZIIONARE, ORIENTARE I VERTEBROIDE

2

GHIDAREA, LANURILE DE GHIDARE Se consider un corp rigid, cruia i se asociaz un sistem de coordonate triortogonal drept (OXYZ) cu originea n O, numit PUNCT CARACTERISTIC (PC), raportat la un sistem de coordonate fix (O0X0Y0Z0).

GHIDAREA corpului const n POZIIONAREA punctului caracteristic (coordonatele liniare x, y, z) i ORIENTAREA acestuia (coordonate unghiulare ).

Ghidarea efectuat de RI se poate face prin:

1. Lanuri cinematice deschise (LCD), RI serie

1.1. LCD structurate n LP i LO: LG= LP-LO, analogia antropomorfica (fig. 1); 1.2. LCD nestructurate n LP i LO; 1.3. LCD structurate n LP i LV (lan vertebroid) (fig. 2); 1.4. LCD format doar din LV;

2 Lanuri cinematice inchise (LCI), platforme DELTA, STEWART, vezi RI paraleli

3. Lanuri complexe deschise, LCI nseriate (fig. 3), soluie rar aplicat din cauza complexitii sistemului de comand.

,,

3

Fig. 1. LG structurat n LP si LO Fig. 2. LG structurat n LP si LV

Fig. 3 LG format din mai multe platforme Stewart nseriate 4

Prototipul LOGABEX este destinat interveniilor n mediul puternic radioactiv al centralelor nucleare. Braul robot are 24 de grade de mobilitate (patru platforme Stewart nseriate). Este evident mult mai rigid dect un robot serial, dar problemele legate de comand sunt dificile (de exemplu rezolvarea cinematicii inverse). 5

Gradul de mobilitate a lanului de ghidare

Pentru un RI serial (cu LG avnd la baza un LCSD) format din C5 cuple monomobile (uzual R, T),

care lucreaz ntr-un spaiu cinematic fr constrngeri (nu exist micri de baz care s fie inaccesibile tuturor elementelor cinematice ale LC), gradul de mobilitate se calculeaz cu relaia: M=C5 (vezi fig.1 M=6, fig. 2 M=8). Mobilitatea calculat lund in considerare doar caracteristicile structurale ale LG (numarul i natura cuplelor, elementelor cinematice ) este o mobilitate global a LG. Dac se iau n considerare i parametrii geometrici ai elementelor cinematice, limitele deplasarilor din cuplele LG, se poate calcula o mobilitate local a LG, care pentru o configuraie oarecare a LG poate fi mai mic sau egal cu cea global.

Exemplu de calcul a mobilitatii locale pt. un LG cu ase mobilitati (LG6). Se presupune cunoscut schema cinematic a LG. notaii: q1 . q6 deplasrile n cuplele LG6 (coordonatele articulare); x1 . x6 coordonatele liniare+unghiulare ale obiectului manipulat (poziiile, orientrile sistemului OXYZ asociat obiectului manipulat fa de O0X0Y0Z0 ) Se presupun cunoscute deplasrile n cuplele LG i se cer poziia si orientarea obiectului manipulat xi=xi(q1 q6 ), i=1...6, problema cinematic direct (PCD). Se presupun cunoscute poziia si orientarea obiectului manipulat, se cer deplasrile n cuplele LG qi=qi(x1 x6 ) ), i=1...6, problema cinematic invers (PCI). 6

Problema cinematica directa

q xProblema

cinematica inversa

x q

Fig. 4 Problemele cinematicii RI

Pentru a determina mobilitatea local a LG, trebuie verificat dac ntr-un punct al SO LG are capacitatea de a poziiona si orienta obiectul manipulat conform valorilor impuse. Deci n esen trebuie rezolvat PCI. n general PCI este dificil de rezolvat deoarece sistemul xi=xi(q1 . q6 ), i=1..6, este puternic neliniar (de cele mai multe ori transcendent). Considernd ca toate condiiile sunt ndeplinite xi=xi(q1 . q6 ), i=1..6, poate fi liniarizat local prin difereniere:

(1)

dac se fac aproximaiile sistemul 1, n necunoscutele este liniar. Dac LG poate realiza orice deplasare finit mic a OM n vecinatatea unui punct al SO rezult ca pentru acel punct LG este hexamobil. Sistemul 1 trebuie sa fie compatibil determinat pentru necunoscutele deci determinantul (iacobianul) trebuie s fie nenul.

;6...1,,6

1

jidq

qxdx j

j ji

i

,6...1,,, jiqxqdxx jjii jq,6...1, ixi

,6...1, jq j 7

SISTEME DE ECUAII LINIARE

Un sistem de ecuaii liniare are forma:

coninnd m ecuaii cu n necunoscute xk n formalism matriceal sistemul se mai poate scrie: A X = B, unde A este matricea coeficienilor Necunoscutelor, X i B sunt vectorii coloan ai necunoscutelor, respectiv ai termenilor liberi. Dac sistemul admite cel puin o soluie este compatibil, n caz contrar incompatibil. Dac admite o singur soluie se spune c este compatibil determinat i compatibil nedeterminat dac admite mai multe soluii

Regula lui CRAMER Dac m = n i D0 (determinant nenul) sistemul este compatibil determinat. Soluia sistemului este:

n

khkhk bxa

1n ... 1,k m, ... 1h ,

DDx kk / unde Dk este determinantul obinut din D prin nlocuirea coloanei k cu B Sub form matriceal soluia se scrie: X = A-1 B

Teorema KRONEKER-CAPELLI A1 este matricea obinut din A prin bordarea la dreapta cu coloana B. a. Sistemul este compatibil dac i numai dac A i A1 au acelai rang r. Dr este determinantul principal, cel care d rangul r al sistemului. b. Dac n=r sistemul este compatibil determinat, se aplic regula Kramer. c. Dac r < n sistemul se rezolv ca la a, n prealabil se trec n dreapta necunoscutele secundare. Soluia depinde de valorile celor n-r necunoscute secundare, se spune c sistemul are n-r soluii. 8

0...

............

............

...

6

6

2

6

1

6

6

1

2

1

1

1

qx

qx

qx

qx

qx

qx

J

Dac, pentru o configuraie oarecare a LG, J = 0 rezult c n punctul respectiv al SO mobilitatea local a LG este inferioar celei globale, deci capacitatea de ghidare este diminuat, LG este ntr-o configuraie singular. Punctele SO n care LG este n configuraii singulare trebuie, n general, evitate n aplicaii, deoarece n acele puncte i n proximitatea lor robotul are o mobilitate inferioar celei globale pe care se conteaz Uzual RI universali au ase grade de mobilitate. Pentru anumite aplicaii, unde se utilizeaz RI/manipulatoare dedicate, pot fi necesare mai multe sau mai puine grade de mobilitate dect 6.

(2)

9

Un robot redundant cinematic are mai multe grade de mobilitate ale LG dect cele necesare pentru a defini poziiile i orientrile end-efectorului. Un RI care opereaz n spaiul 3D i care are 6 grade de mobilitate este un RI neredundant, un RI cu M>6 este redundant. (exemple de roboi redundani) Redundana cinematic a roboilor este util n urmtoarele cazuri: - Roboii care lucreaz n medii ostile i ndeprtate de baza logistic: spaiul cosmic, submarin, incinte puternic radioactive sau contaminate chimic. n aceste situaii o defectarea a robotului poate avea efecte catastrofale. n consecin acetia sunt concepui ca tolerani la defeciuni (fault tolerance). De exemplu roboii hiperedundani serpentiformi (vezi proiectul Snakebot-NASA, proiectele Polybot i Polypod din cursul introductiv). Dac apare o defeciune la una din modulele robotului intervine o frn care l blocheaz pentru a mpiedica micrile necontrolate, sistemul robot avnd capacitatea s-i continue activitatea cu funciile puin diminuate. La nivelul controlului problema este foarte dificil de rezolvat. - Pentru ocolirea de obstacole prin curbarea LG. - Roboii redundani pot fi optimizai cinematic i dinamic ntr-un grad superior n comparaie cu cei neredundani. 10

Rezolvarea PCI are urmtoarea particularitate: se pot deduce 6 ecuaii (3 poziii i 3 orientri ale end-efectorului) ns numrul de necunoscute (deplasrile n cuplele LG) este mai mare; deci n general, sistemul este compatibil nedeterminat (are o infinitate de soluii).

Un posibil model de control cinematic este de a calcula prin programare matematic mono sau multiobiectiv deplasrile n cuple.

Ca funcii scop se pot utiliza: - maximizarea trasmisibilitii forei: alegerea unei soluii care s transmit o for maxim la end-efector; - maximizarea vitezei n articulaiile LG: se aleg soluiile care cer o cantitate minim de micare; - minimizarea energiei consumate: se aleg soluiile care asigur viteze i momente de inerie minime; - maximizarea rigiditii: se aleg soluiile care determin cedri elastice minime.

11

Robotul IA20 este de tip antropomorf cu 7 grade de mobilitate, printre foarte puinii roboi industriali redundani existeni pe pia. Este poreclit robotul arpe datorit zvelteii i manevrabititii mari care i permite s lucreze n locuri greu accesibile.

ROBOTUL IA20-MOTOMAN WWW.MOTOMAN.COM

1R

12

Aplicaii: -Servire maini unelte i utilaje; -Asamblare.

13

ROBOTUL DA20-MOTOMAN WWW.MOTOMAN.COM

RI DA-10 este un robot humanoid, destinat aplicaiilor de asamblare fr dispozitive statice de prindere, servire MU, mpachetri n locuri de munc de dimensiuni i sarcini comparabile cu cel umane (capacitatea de ncrcare a fiecrui brat este de 20Kg) 14

15

2. POZITIONARE, LANURILE DE POZIIONARE

LP au functia principal de a poziiona obiectul manipulat: - LP2 genereaz o suprafa de operare (SO2); - LP3 genereaz un volum de operare (SO3); LP cele mai utilizate au la baza LCSD, formate din cuple de rotaie (R), de translaie (T), n poziii relative II sau , pentru dou cuple monomobile succesive. n consecin rezult 7 variante de LP2 viabile (T II T nu genereaz SO2): 1. R R, 2 R II R, 3. R T, 4. R II T, 5. T R, 6. T II R, 7. T T. i 20 de varinte de LP3, concentrate n tabelul de mai jos:

Observaii 1. LP3 au fost agregate din cte dou LP2 care au n comun ultima i prima cupl, din primul respectiv al doilea LP2. 2. n tabelul alturat au fost barate LP care nu genereaz SO3. 3. Simbolurile II, la exponent indic orientarea ultimei cuple fa de prima. 4. Din cele 20 LP3 se folosesc practic doar 6 (RI cartez, cil .....)

Prin poziionarea unui corp se nelege micarea acestuia de la o poziie nedefinit sau oarecare la una dat, nelundu-se n considerare orientarea corpului (VDI 2860/90).

16

Criterii de apreciere a calitaii spaiilor de operare

c1. Gradul de adecvare a formei SO la distribuia spaial a posturilor de lucru pe care le servete R I max. c2. Volumul SO max Criteriul se aplic cnd lungimile elementelor cinematice ale LG comparate sunt apropiate (RI/manipulatoare cu gabarite apropiate). c3. Volumul SL min Criteriul este operant pentru medii cu obstacole. c4. Volumul subspatiului SO in care punctele pot fi atinse prin configuratii multiple max. Criteriul este operant in cazul unor aplicaii la care n SO exist numeroase obstacole. n general, RI nu exploateaz configuraiile multiple din cauz c acesta complic rezolvarea modelului geometric invers, care ar astfel avea soluii multiple i deci ar fi necesar intervenia unor criterii suplimentare de selecie. c5. Dependena preciziei de pozitionare de precizia de poziionare n cuplele LG si de poziia punctului n SO min. Pentru RI universali sunt avantajoase SO n care precizia de poziionare este puin dependent de poziia punctului n SO sau chiar independent (vezi roboii n coordonate carteziene) deoarece restriciile de plasare a posturilor de lucru vor fi mai reduse . 17

2. ORIENTAREA, LANURILE DE ORIENTARE

Lanul cinematic de orientare (LO) are ca funcie principal deplasarea unghiular a obiectului manipulat. Mecanismele de orientare au aceeai funcionalitate cu cea a ncheieturii minii umane, care prin articulaia radio-carpian realizeaz micrile elementare de rotaie: flexie-extensie, abducie-adducie, pronaie-supinaie. LO au n general la baza LCSD formate din cuple R, cu axe ortogonale sau oblice pentru cuplele succesive. Criterii de apreciere a calitaii LO

c1. Spaiul de lucru asociat LO min Criteriul este important n aplicaiile n care mediul de lucru este plin de obstacole. n general, o condiie necesar este ca LO s fie simetric. c2. Numrul si forma configuraiilor singulare min De exemplu LO3 sferic, frecvent folosit (vezi figura alturat) prezint o configuraie singular cnd este ntins, LO3 putnd s roteasc obiectul doar dup dou axe. Fig. 5. Exemplu de LC sferic utilizat ca LO3 19

c3. Capacitatea de orientare a LO max Capacitatea de orientare a LO se poate aprecia corect dac se consider LO integrat n LG. ntr-un punct al SO, care este i punctul caracteristic al obiectului, se consider c este plasat o cupl sferic, astfel LG, iniial lant cinematic deschis devine lan cinematic nchis. Unghiul de serviciu este unghiul solid care conine mulimea dreptelor caraceristice. Avndu-se n vedere c valoarea maxim a unghiului de serviciu este 4, uzual se folosete indicatorul adimensional ks:

1...0,4

ksks

Coeficientul de serviciu mediu ksmed (n tot SO) se calculeaz cu:

dxdydz

dxdydzksksmed

c4. Ortogonalitatea axelor este avantajoas dpdv tehnologic. c5. Pentru RI universali, dar i pentru anumii RI dedicai rotabilitatea axelor max. c6. Simetria fa de axa ultimului element cinematic al LP asigur momente de inerie mici, mai ales dac prima cupl a LO este coaxial cu axa amintit. 20

EXEMPLE DE ARHITECTURI ALE MECANISMELOR DE ORIENTARE

Robotul industrial R17, firma Strobotics (www.strobotics.com)

Lanul de orientare este bimobil (cuplele D i E). Pentru mrirea rotabilitii cupla D este plasat excentric fa de ultimul EC al LP. Observai i echilibrarea antebraului i braului robotului prin motoarele electrice pas cu pas 21

Familia UX, firma Kawasaki

RI universali care sunt dotai cu mecanisme de orientare trimobile, care au la baz lanuri cinematice sferice.

22

Robotul industrial KR3, firma Kuka (www.kuka-roboter.com)

K3 sunt RI de dimensiuni mici, precii (cap. nc. 3 kg, repetabilitate 0,05 mm). Pentru mrirea rotabilitii celei de a doua cuple a LO a > b.

23

Fig7. Exemple de LO2 [Tez doctorat Dahabreh R]

Observaii privitoare la LO2 (suplimentar)

Rotabilitatea maxim n cuple, concurena axelor de micare, simetria fat de axa (axa ultimei cuple a LP), ortogonalitatea axelor sunt deziderate contradictorii. 1. Creterea unghiului de de rotaie ntr-o cupl poate impune renunarea la intersecia axelor (LO2 din fig. 8 b versus 8a); 2. Realizarea rotabilitaii complete n cele dou cuple ale LO2 poate presupune: - pstrarea ortogonalitaii i renunarea la la simetria fa de axa delta (fig. 8c, d sau fig.8e, f); - renunarea la ortogonalitatea axelor de rotaie (fig. 8e, g). LO2 cu rotabilitate complet a celor doua cuple sunt cele reprezentate n figurile: 8d, 8f i 8g. 24

Observaii privitoare la LO3 (suplimentar)

1. Cresterea unghiului de de rotaie ntr-o cupl poate impune renunarea la intersecia axelor (fig. 9h i i); 2. Realizarea rotabilitii complete n cele trei cuple ale LO3 poate presupune: - pstrarea ortogonalitaii i renuntarea la la simetria fa de axa delta (fig. 8c, d sau fig.9l,n); - pstrarea concurenei ntr-un punct i renunarea la ortogonalitatea axelor (fig. 9l, o). LO3 cu rotabilitate complet a celor trei cuple sunt reprezentate in figurile: 9n, 9o. LO3 din fig. 9o are rotabilitate complet, axele sunt concurente si abateri relativ reduse de la simetrie. Simetria fata de axa este important mai ales daca LP are elemente cinematice care aparin unui plan, deoarece LO nu va introduce mase excentrice. Ortogonalitatea axelor implic avantaje in modelarea analitica a LO. La fel i concurena (mecanisme sferice). Fig 8. Exemple de LO3 [Tez doctorat Dahabreh R] 25

2. MICROORIENTAREA, LANTURI VERTEBROIDE

Lanurile cinematice vertebroide (LV) efectueaz o microghidare a obiectului manipulat (orientare i micropozitionare). Spre deosebire de LG LV sunt destinate microghidarii unui obiect n spaii de tip labirint, ca urmare a curbrii si/sau torsionarii LV.

Fig.9. RI cu mecanism vertebroid

Definitie: Lanul deschis vertebroid (LDV)este un lan cinematic simplu, deschis cu cuple de rotaie (R) i/sau cuple sferice (S), care prin compunerea deplasrilor unghiulare relative se poate curba independent n dou plane i/sau torsiona. n general LV nlocuiesc LO n medii de lucru n care exist numeroase obstacole (fig 9), dar pot fi utilizate i autonom (roboi serpentiformi). Din cauza acionrii dificile a unui numr mare de axe se utilizeaz i mecanisme nedesmodrome cu precizii mai reduse. De obicei LDV realizeaza doar curbrile, torsionarea nefiind obtinut prin nsumarea unor microtorsionri, ci prin rotaia longitudinal a elementului cinematic portprehensor. 26

Mecanisme nedesmodrome de orientare

Desmodromie ( determinabilitate cinematic, etimologie gr. desmis + dromos = drum legat): la o poziie dat a elementului/elor conductor/e toate celelalte elemente ale LC au poziii i orientri univoc determinate.

Mecanismul vertebroid din figura alturat are la baz un lan deschis cu trei cuple sferice cu tift, deci gradul de mobilitate este m=3 x 2=6. Pentru acionare se utilizeaz 4 motoare fluidice liniare, deci mecanismul este nedeterminat cinematic (4 < 6). Forele motoare se transmit prin cablurile (tendoanele) 4. ntre EC sunt plasate arcurile 4. Dac arcurile au caracteristici foarte apropiate i frecrile din cuple sunt mici, curbarea spaial a MV este relativ uniform i precis. Astfel de MV nedesmodrome se utilizeaz rar n robitica industrial.

Mecanism: lan cinematic care are un element fixat (baz) i este desmodrom.

27

Deoarece cea mai important caracteristic a LDV este capacitatea de curbare, acestea se sistematizeaz n continuare pe baza modului de realizarea a curbrii [Dud87]: 1. LDV care realizeaz curbarea ntr-un singur plan. LDV este format din mai multe cuple de rotaie cu axe paralele i=2 ...n prima cupla R cu axa perpendicular pe celelalte are rolul de a spaializa LDV (fig. 10 a). 2. LDV cu axe oblice, n care curbarea se efectueaz ntr-un singur plan (fig. 10b). 3. LDV care realizeaz dou curbri independente n dou plane perpendiculare. LDV este format din cuple R cu axe perpendiculare (articulaii cardanice), cele avnd numere de ordine impare realizeaz o curbare ntr-un plan, celelalte n cellalt plan (fig. 10c). Dou cuple R succesive, cu axe perpendiculare pot fi nlocuite cu o cupl sferic cu tift, rezultnd astfel un LDV format din cuple sferice.

Fig. 10. Exemple de lanturi deschise vertebroide 28

3. ROBOTOMECANISME PENTRU ACIONAREA CUPLELOR DE ROTATIE

2. ROBOTOMECANISME PENTRU ACIONAREA CUPLELOR DE TRANSLAIE

1. MOTOAREITRANSMISIINROBOTICAINDUSTRIAL

Tudor Punescu RPTCM 1

[KLU99] Glenn Kenneth Klute, Artificial Muscles: Actuators for Biorobotic Systems, PH D Thesis, Univ Washinton. 1999. [DUN05] Charlie Duncheon. Robots will be of service with muscles, not mtors. Industrial Robot: An International Journal. 32/6 (2005) 452455 [TON97] Bertrand Tondu. The McKibben muscle and its use in actuating robot-arms showing similarities with human arm behaviour. Industrial Robot Volume 24 Number 6 1997 pp. 432439. [SLA94] Rolf Slatter, Graham Mackrell. Harmonic Drives in Tune with Robots. Industrial Robot. Vol. 21 No. 3, 1994, pp. 24-28 MCB University Press, 0143-991X.

Documentaie de la firmele:

www.shadowrobot.com www.sommer-automatic.de www.parker.com www.gemotec.com

BIBLIOGRAFIE

2

1.1. TRANSFORMAREA UNUI LANT CINEMATIC INTR-UN MECANISM

Un lan cinematic poate fi transformat ntr-un mecanism prin urmtoarele procedee de antrenare: 1. Transformarea direct a unei cuple din LC n cupl motoare prin legarea unui motor n paralel cu cupla (fig. 1).

2. Transformarea indirect a unei cuple din LC n cupl motoare prin introducerea unui contur motor care s conin cupla (fig. 2).

Fig. 1 Transf. direct Fig.2 Transf. indirect

1. MOTOAREITRANSMISIIUTILIZATENROBOTICAINDUSTRIAL

3

Acionarea pneumatic a RI este simpl i relativ ieftin ns are urmtoarele dezavantaje: - Poziiile elementului mobil al motoarelor pneumatice (MP) pot fi controlate precis doar la capetele de curs i relativ imprecis ntre acestea (ntre poziiile limit un MP este practic necontrolabil). n consecin complexitatea sarcinilor executate de RI pneumatici este redus (operaii pick-and-place): pentru un RI cu LG avnd n grade de mobilitate rezult c pot fi generate 2n configuraii precise. - Dei s-au pus la punct sisteme de control a continuu al elementului mobil al MP acestea sunt foarte rar aplicate la RI, datorit preciziilor nesatisfctoare care sunt cauzate de compresibilitatea aerului comprimat. - Marea majoritate a MP sunt liniare tipul cu piston cu dublul efect, mai rar se utilizeaz i motoare rotative cu palet.

Clic

pe

im

agin

e pe

ntr

u de

talie

re

salt pentru detaliere MP cu palet

- Pentru mbuntirea controlabilitii s-au adaptat la necesitile roboticii uniti cu acionare pneumo-hidraulic, prin legarea in paralel cu cilindrul P a unuia H. Ansamblul astfel format este relativ complicat i are masa mare.

- n consecin acionarea pneumatic a RI este raional pentru sarcini simple, la manipularea unor obiecte realativ uoare cu precizii medii. - MP liniare sunt folosite curent pentru acionarea mecanismelor de prehensiune, datorita raportului avantajos for/mas.

5

1.2.2.MOTOAREHIDRAULICENROBOTICAINDUSTRIAL

Acionarea hidraulic a RI depete o parte din limitrile celei pneumatice datorit faptului c uleiul este practic incompresibil i c se lucreaz cu presiuni mult mai mari, deci fora specific a unui MH este mare.

Elementul mobil al unui MH este controlabil n orice punct al traiectoriei, deci RI hidraulici pot executa sarcini mult mai complexe dect cei acionai pneumatici. - Datorit faptului c se lucreaz cu motoare cu for specific mare, de obicei transmisiile dintre MH i cupla acionat lipsesc (transformarea direct a unei cuple n motocupl) fapt ce simplific construcia RI. - Deoarece partea masiv a acionrii H (rezervorul de ulei, pompa, panoul hidraulic) este plasat n afara RI, acetia sunt relativ zveli i puternici, n consecin RI hidraulici se utilizeaz pentru manipularea unor obiecte cu mase mari, ns tendina actual este de nlocuire a acestora cu RI acionai electric. Principalele dezavantaje ale acionrii H a RI sunt: - consum energetic ridicat; - pericolul scurgerilor de ulei i elimin din mediile industriale curate; - un rspuns rapid la comenzi necesit servovalve scumpe; - variaia vscozitii uleiului cu temperatura limiteaz aplicabilitatea RIH; - dac se ia n considerare tot ansamblul RI i accesoriile acionrii H (rezervorul de ulei, pompa, panoul hidraulic) gabaritul este mare.

8

1.2.3.MOTOAREELECTRICENROBOTICAINDUSTRIAL

Acionarea electric a RI are tendin de generalizare deoarece aceasta este relativ uor controlabil, este ieftin i fiabil. Principalul dezavantaj al acionrii electrice a RI este faptul c dac se utilizeaz ME standard este necesar o reducere puternic a turaiilor de ieire din motor, simultan cu o cretere a momentului de torsiune, reductorul respectiv mrind masa i gabaritul ansamblului. n consecin motoreductorul nu poate fi plasat ntodeauna n articulaia acionat ci undeva apropiat de baza RI i n consecin mai este necesar i o transmisie mecanic. Lanul cinematic reductor-transmisie mecanic pe lng c complic mult construcia RI introduce erori datorit jocurilor i deformaiilor elastice i scade randamentul mecanic. Un concept cu potenial de dezvoltare este plasarea ME direct n articulaia LG a RI.

Tipuri de ME folosite n robotica industrial

Cele mai rspndite ME sunt cele de curent continuu (MECC) cu magnei permaneni. Gabaritul i masa acestora sunt dependente de forma i construcia rotorului: cilindrice sau disc (vezi fig. 5). Rotorul cilindric din oel are inerie mare i un rspuns dinamic slab. Rotoarele care au conductor de Cu nglobat n epoxy au o mas mult mai mic. Dezavantajul acestora const n capacitatea redus a disiprii cldurii, n consecin au un regim de lucru restricionat cnd trebuie s funcioneze la turaii mici i cupluri mari.

9

Fig. 5

Calitatea magneilor permaneni influeneaz puternic eficiena global a ME. Cele ieftine au magnei permaneni ceramici (ferite), rezultate superioare se obin cu magnei din pmnturi rare. Acetia din urm sunt interesani pentru robotic deoarece ME pot produce momente de torsiune mari la cureni puternici fr riscul demagnetizrii. n plus aceste ME au i un gabarit mai mic. Punctul vulnerabil al MECC clasice este comutaia. Periile din grafit i cupru introduc frecri, uzur i scnteieri. Ultimul este principalul factor de limitare a utilizrii ME de acest tip la RI. Acest dezavantaj poate fi eliminat dac cablurile sunt plasate pe stator i magneii pe rotor. Periile sunt nlocuite cu comutaia electronic.

MECC cu rotor cilindric MECC cu rotor disc

10

Acest tip de ME se numete ME de curent continuu fr perii, care evident c sunt mai fiabile dect cele clasice, au o capacitate termic ridicat, dar dispozitivul de comutaie este complicat i scump.

Fig. 6. Schema de principiu a MECC fr perii

ME pas cu pas (MEPP) se utilizeaz la RI ieftini cu capacitate de ncrcare mic. MEPP sunt convertoare discrete impuls-pas unghiular/liniar. MEPP sunt elemente de acionare discrete fiabile care pot lucra n condiii grele, sunt compatibile cu tehnica modern a sistemelor de automatizare discret. Hardware-ul i software-ul necesar comenzii fr feedback este simplu i ieftin ns exist riscul ca la ncrcri mai mari s se piard pai. n consecin dac se dorete o precizie i siguran superioare de lucreaz n bucl nchis, dar care i mrete preul.

11

1.2.4.MUCHIARTIFICIALINROBOTICAINDUSTRIAL

O tendin de inspiraie biologic n robotic este concentrarea cuplelor (de exemplu utilizarea unei cuple sferice n loc de trei cuple de rotaie nlocuitoare) cu efecte benefice asupra compactitii i simplitii RI. O astfel de cupl este greu de acionat prin mijloacele utilizate la acionarea cuplelor monomobile datorit compactitii sale i n consecin s-a adoptat soluia unor muchi artificiali care au un volum mic i un raport for dezvoltat/mas mare. Muchii artificiali funcioneaz pe baza mai multor principii: - pneumatic; - materiale tip elastomer dielectric care i modific volumul la variaia unui cmp electric. - materiale i modific volumul sub aciunea unui agent chimic, de obicei acid.

1.2.4.1. MUCHI ARTIFICIALI EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle) [KLU99]

Spre deosebire de piezoelectricitate sau metalele cu memorie cu care se pot obine deplasri relative de aproximativ 1% la EPAM procentul este mult mai mare 20 % ... 30 % n condiiile unui timp de funcionare ndelungat. n comparaie cu un motor electric EPAM are o densitate de putere mult mai mare, deci la o aceeai putere masa i volumul sunt mult mai mici, fiind comparabile cu ale unui muchi uman, n plus sunt silenioi. 12

Structura de baz a muchiului artificial EPAM este format dintr-un film de elastomer cu proprieti dielectrice acoperit pe ambele fee cu film din material conductor de electricitate. Cnd este aplicat o tensiune ntre cei doi electrozi se creeaz o presiune Maxwell asupra filmului dielectric iar acesta se comport ca un fluid incompresibil care i micoreaz grosimea i i mrete dimensiunile uniform n plan.

Muchiul artificial este compus din mai multe straturi plane sau sub forma de rulouri.

Costul unui muchi artificial EPAM este o fraciune din cel al unei acionri electrice bazate pe un ME clasic, de asemenea i consumul energetic este mai mic.

Deocamdat muchii artificiali EPAM au fost dezvoltai pentru a exercita fore i curse relativ mici n aplicaii ca miniroboi pitori, minipompe cu diafragm, miniprehensoare.

Fig. 7 13

Fig. 8. Exemple de aplicaii muchi EPAM: minirobot pitor i minipomp cu membran

1.2.4.2.MUCHIARTIFICIALIPNEUMATICI [DUN05]

Fig. 9. Muchi pneumatici tip McKibben

Muchii pneumatici McKibben au fost inventai n anii 50 i redescoperii n anii 80, au o construcie simpl fiind formai dintr-un tub de cauciuc armat cu fire textil/plastic dublu elicoidal, care la introducerea aerului comprimat i micoreaz lungimea (contracia uzual pt. cei disponibili comercialeste de aprox. 25-40%). 14

15

PAM au o densitate de putere 1.5 kW/kg 10 kW/kg fa de un cilindru pneumatic 0.4 kW/kg sau un motor electric 0.1 kW/kg .

Dou tipuri de PAM: McKibben , cei mai frecvent aplicai (a) i PAM plat (b)

a b

La PAM plasa de fibre elicoidale are orientare simetric +q i q. Cnd tubul de cauciuc este presurizat acesta preseaz plasa de fibre care preiau presiunea lateral. Uzual capetele plasei sunt prinse n armturile de capt ale PAM deci preiau fore axiale.

Caracteristicitehnicealemuchilorpneumatici [www.shadowrobot.com]:

- masa mic (raport putere/mas 400/1 comparativ cu un motor electric CC 16/1); - cost redus de achiziionare i ntreinere; - timp de rspuns rapid; - funcionare lin; - flexibilitate mecanic, pot funciona uor torsionai, ndoii; - alimentare cu aer comprimat la presiune joas 0 ... 4 bar; - au o capacitate de amortizare mecanic bun; - au o complian ridicat.

16

Deoarece muchii artificiali McKibben au o capacitate de amortizare

sczut n comparaie cu muchii naturali s-a propus legarea n paralel a unui

amortizaor hidraulic i introducerea unui tendon mecanic cu rol de acumulator de

energie [DUN05].

Modelul static al muchilor McKibben este caracterizat de:

- Fora static este proporional cu seciunea iniial. - Fora static este independent de lungimea iniial a muchiului. - Fora este proporional cu presiunea - Fora static descrete liniar cu contracia relativ

Fig. 12

Fig. 13 18

19

Fora PAM McKibben cu plas de fibre de nylon (N) i histerezisul n condiii isobare pentru presiuni de 0, 1, 2, 3, 4 , 5 bar.

Histerezisul (n greac rmnere n urm) este fenomenul prin care starea unui sistem indus de o anumit cauz nu depinde numai de mrimea cauzei respective ci i de strile anterioare (istoricul) prin care a trecut.

Fig. 14. Principiul muchilor antagonici aplicat cu muchi pneumatici McKibben

Fig. 15. Principiul muchilor antagonici aplicat la un robot SCARA prin cu muchi pneumatici McKibben

[TON97]

Fig. 16.

20

21

Prehensoare acionate de PAM McKibben (Festo)

22

a. Mecanism de ridicat obiecte grele acionat cu motoare pneumatice, b. cu PAM McKibben (Festo)

23

a. Mecanism de ridicat piese de pe un magazin gravitaional pe un conveior acionat cu motor pneumatic b. cu PAM McKibben (Festo)

24

a. Pres montaj rulmeni acionat cu motor pneumatic, b. cu PAM McKibben (Festo)

1.3. GENERALITIDESPRETRANSMISII UTILIZATE N ROBOTICA INDUSTRIAL

n acionarea cuplelor LG a RI exist dou tendine majore: - Este preferabil transformarea direct a unei cuple n motocupl deoarece se elimin transmisiile, pe aceast cale simplificndu-se construcia RI, jocurile i frecrile. Soluia nu se aplic frecvent deoarece masa i gabaritul actualelor motoare sunt relativ mari. - Pentru a mbuntirea calitilor dinamice ale robotului exist tendina de plasa motoarele spre baz i de a folosi transmisii mecanice ntre motor i cupla acionat. Astfel partea terminal a RI devine mai uoar dar datorit transmisiilor construcia robotului devine mai complicat, apar jocuri, deformaii elastice care pot duce la vibraii i frecri care scad randamentul mecanic. n cazul utilizrii motoarelor electrice de curent continuu mai este necesar un reductor cu raport de transmitere mare, care se adaug la transmisia de putere la distan cu dezavantajele amintite. n scopul reducerii costurilor i a timpilor de dezvoltare a noilor RI productorii utilizeaz uniti integrate motor-reductor-sistem de msurare a poziiei (vezi fig. 19)

1.3.1. Reductoare n scopul utilizrii MECC pentru acionarea cuplelor LG turaia MoR electrice trebuie redus de 80 150 ori. Condiiile impuse reductoarelor sunt: fiabilitate mare, rapoarte mari de reducere, controlul jocurilor ntre flancurile dinilor angrenajelor, mas mic i gabarit redus. Dintre reductoarele comerciale care ndeplinesc aceste condiii cele armonice au devenit standard de facto. 26

Mecanismele cu bare sunt utilizate ca i contururi monomobile (fig. 2) sau bimobile (fig. 36, 37) pentru transmiterea puterii la cuplele lanului de poziionare. Se mai utilizeaz ca mecanisme paralelogram (fig. 16, 17) sau dublu paralelogram (mecanism pantograf ) pentru conservarea orientrii prehensorului (fig. 23).

n figura 23 este schema unei uniti flexibile de strunjire: semifabricatele sunt plasate pe palet fix, RI este de tip portal simplu. Deoarece semifabricatul are mereu axa orizontal s-a adoptat un mecanism dublu paralelogram n componena mecanismului de ghidare. n consecin RI are 4 grade de mobilitate, comparativ cu 5 grade de mobilitate n cazul absenei acestui mecanism

Fig. 23

Curelele dinate sunt utilizate n robotica industrial la transmiterea puterii pe distane relativ mari. Principalele lor atuuri sunt: ieftintatea, mas mici. Dezavantaje: elasticitatea i controlul jocurilor n timp care pot duce la o funcionare a RI cu vibraii. Lanurile pot nlocui curele dinate. Nu au jocuri, au o rigiditate mult mai mare dar sunt grele.

34

Cupla cinematic este nlocuit n practic de ctre policupla cinematic (policupla) n scopul obinerii unor avantaje tehnice. O policupl se obine din legarea n paralel, serie sau mixt a mai multor cuple cinematice [Dud87]. Policuplele de translaie (PT) din componena robotomecanismelor sunt acionate de motoare / motoreductoare rotative (MoR) sau liniare (MoL). Modul de legare a elementului de ieire a motorului / motoreductorului cu semicupla mobil a policuplei motoare poate fi direct sau indirect printr-un lan cinematic intermediar (LCI), o transmisie n limbaj curent. n consecin exist trei variante structural distincte de robotomecanisme pentru acionarea policuplelor de translaie: - MoL-conectare direct-policupla de translaie (MoL-CD-PT); - MoL- conectare indirect-policupla de translaie (MoL-CI-PT); - MoR-conectare indirect -policupla de translaie (MoR-CI-PT); Transmisia trebuie sa aib o mas relativ mic, s fie simpl din punct de vedere constructiv, s aib o rigiditate suficient, jocuri ct mai mici i fiabilitate ct mai mare. Viteza curent de translaie a elementului de ieire dintr-o PT este aproximativ 1 m/s.

2.1. ROBOTOMECANISNE DE TIP MOL-CONECTARE DIRECT-POLICUPLA DE TRANSLAIE (MOL-CD-PT)

Diversitatea structural-constructiva a robotomecanismelor de tip MoL-CD-PT este mare. Pentru exemplificare, n figura 3 s-au concentrat cteva variante, care utilizeaz PT tip cadru inchis/deschis, MoL participnd sau nu la formarea policuplei. Variantele 1 4 se utilizeaz de obicei n construcia RI modulari.

2. ROBOTOMECANISME PENTRU ACIONAREA CUPLELOR DE TRANSLAIE

35

Fig. 24.1. Utilizarea PT de tip cadru

Fig.24.2. Utilizarea PT tip poligonal 36

Exemple de module liniare acionate de

motoare fluidice liniare

Acionare P sau H cu un un cilindru cu dublu efect. Policupla T este format dintr-un cadru deschis, dublu ghidat format din legarea n paralele a unor cuple cilindrice. Concepia este modular se poate opta pentru:

- Cilindri P sau H. - Cilindru cu 2 sau 3 poziii de stop. - Cilindru cu frn incorporat. - Ghidare cu buc de alunecare sau cu buc cu bile recirculabile. - Absorbitori de oc la capete de curs cu cauciuc sau hidraulici.

Fig. 25 a . Familia de module T HBN, HBC, HBT, HBR,

Firma Parker (www.parker.com)

37

Familia de module T XLB, Parker (www.parker.com)

Modulul T este conceput ca mas de translaie, cu aplicaie nu numai n robotic, ci pentru automatizri, n general. Acionare pneumatic cu un cilindru cu dublu efect. Policupla T este format dintr-un cadru nchis, dublu ghidat format din legarea n paralel a unor cuple cilindrice.

Fig. 25 b . Familia de module T

TXLB Firma Parker

(www.parker.com) 38

Schema de instalare a absorbitorilor de oc hidraulici la capetele de curs Schema de instalare a absorbitorilor de oc cu cauciuc

Schema de instalare a senzorilor de proximitate la un modul de translaie

Fig. 26

CONTROLULCAPETELORDECURSLAMODULELELINIARECUACIONAREFLUIDIC

39

CONTROLULPOZIIEIINTERMEDIARE A ELEMENTULUIDEIEIREDINMODULULT

Fig. 27. Piston cu inel magnetic, corp cilindru din Al, senzor magneto-rezistiv Hall

Piston cu inel magnetic - senzor magneto-rezistiv Hall Precizie 2,5 mm

Modul T cu tij bilateral, microntreruptoare

Fig. 28.

40

Fig. 29 [Parker].

Fig. 12.

MODUL T CU SENZOR LINIAR TIP REZISTOR PENTRU MONITORIZAREA CONTINUAPOZIIEIPISTONULUI

1- tija postonului, oel cromat dur 2- etanare capac 3- buc bronz sinterizat impregnat cu ulei 4- capac Al anodizat 5- corp, oel inox 6- disc amortizor 7- etanare piston 9- senzor de poziie liniar, tip rezistor (repetabilitate senzor 0,025 mm) 10- contactori 41

2.2. ROBOTOMECANISNE DE TIP MOL-CONECTARE INDIRECTA-POLICUPLA DE TRANSLATIE (MoL-CI-PT)

Acest tip de robotomecanism se utilizeaz n cazul n care parametrii de micare / for ai MoL, care sunt motoare fluidice (pneumatice, hidroastatice), nu satisfac condiiile impuse. n figura 11 este reprezentat un mecanism care amplific micarea de ieire a MoL (dubleaz cursa) prin intermediul unui lan cinematic planetar cu cremalier si satelit.

Fig.30. Utilizarea unui mecanism planetar cu cremaliera - satelit in scopul dublarii cursei de iesire a motorului fluidic liniar.

42

2.3. ROBOTOMECANISME TIP MOTOR ROTATIV-CONECTARE INDIRECT-POLICUPL DE TRANSLAIE (MoR-CI-PT)

Cele mai frecvent utilizate LI pentru transformarea micrii de rotaie n translatie sunt: cu cupl elicoidal (urub-piuli), pinion-cremalier, roat de curea-curea dinat, pinion-lan. n figura 13 este reprezent schema mecanismului cu cupl elicoidal cu urub rotitor frecvent utilizat ca robotomecanism n construcia RI n coordonate cilindrice (fig.12).

Fig.32. Motomecanism cu LI elicoidal: - 1. Cadru nchis. - 2. Sanie. - 3. Motoreductor (soluia uzual: motor electric + reductor armonic) Fig. 31. RI care utilizeaz motomecanismul LI elicoidal

43

Fig. 33. PT cu mecanisme pinion-curea dinat

Spre deosebire de mecanismele cu pinion-cremalier, care se utilizeaz la deplasri liniare relativ mari (RI tip portal), mecanismele pinion-curea dinat sunt raionale pentru deplasri relativ mici. In figura 33a sania 6 este ghidat pe corpul tubular cu profil ptrat 1. Capetele curelei dinate 2 sunt fixate prin dispozitivul de pretensionare 4 de sania 6. Acionarea se face prin motoreductorul 5 coaxial cu roata antrenoare 3. Varianta b are curea dinat fix (2), motoreductorul 6 i roata antrenoare 4 sunt montate pe sania 5.

44

3. ROBOTOMECANISME PENTRU ACIONAREA CUPLELOR DE ROTAIE

n general, viteza unghiular a articulaiilor RI este aproximativ 1 rad/s i precizii de poziionare < 1 minut. Un raionament asemntor celui fcut n cazul policuplelor T duce la trei tipuri de motomecanisme de antrenare a policuplelor de rotaie: - MoR-conectare direct-policupl de rotaie (MoR-CD-PR); - MoR- conectare indirect-policupl de rotaie (MoR-CI-PR); - MoL-conectare indirect -policupl de rotaie (MoR-CI-PR);

n general, soluiile de acionare difer funcie de apartenena policuplei de rotaie la LP sau LO. Mai mult, difer i soluiile aplicate pentru antrenarea n rotaie de pivotare a RI (prima cupl a LP) fa de antrenarea celorlate articulaii ale LP. Deoarece mecanismele de acionare a PR de pivotare sunt asemntoare celor utilizate la mainile unelte se insist n continuare asupra antrenrii celorlalte articulaii ale LP.

45

3.1. SOLUII DE ANTRENARE A POLICUPLELOR DE ROTAIE APARINND LP

Mecanismul plan, monocontur, monomobil

Deoarece cuplele 2 i 3 ale LP au o rotabilitate limitat (< 900), se utilizeaz frecvent mecanismul intermediar monocontur monomobil plan (metoda transformrii indirecte: includerea cuplei antrenate ntr-un contur motor) reprezentat n figura 34.

Fig. 34. Variante de contururi motoare

Varianta a are dou legturi pasive (hiperstatice, redundante), cu riscurile cunoscute de blocare din cauza erorilor de execuie a elementelor cinematice, la deformarea elastic a elementelor cinematice sau ca efect al deformaiilor termice etc. Variantele b i c elimin legturile pasive, ns sunt mai complicate dpdv constructiv. Varianta d rigidizeaz urubul care n a funciona n consol, fiind aplicat n acionarea cuplelor LP. 46

Calculul legturilor pasive Legtur pasiv (LPa): legtur prin care se introduce o restricie cinematic care era introdus de o alt legtur. LPa este o legtur care se repet (redundant), nu are efect cinematic. LPa pot cauza n condiii de execuie i funcionare reale defecte structurale care au efecte negative asupra funcionrii mecanismelor (suprasarcini, tendin de blocare)

Determinarea numrului de LPa Datorit toleranelor de execuie a EC, deformaiilor elastice, termice, orice mecanism poate fi considerat ca fiind spaial (familia 0, f = 0) avnd q legturi pasive

q -n6Mdin

-n6M 0f . )()6(5

1k

5

1k

5

1

qCk

CkptCfknfM

k

kfk

k

Mecanismul din fig. 11a este monomobil M=1, are patru elemente cinematice n = 4, cinci cuple monomobile C5=5. Considerndu-l mecanism spaial rezult: 1 = 6*4-5*5+q q = 2 Eliminarea legturilor pasive este un criteriu de optimizare a mecanismelor. 47

Fig. 35 Antrenarea articulatiilor B i C ale IRB 3000 (ASEA)

Plasarea celor dou contururi motoare ct mai aproape de axa de pivotare este avantajoas dpdv dinamic. Pentru antrenarea articulaiei C se nseriaz cu conturul motor un contur paralelogram. Micarea cuplei B este decuplat ( depinde numai de micarea unui motoreductor). Micarea cuplei C este cuplat (depinde de micarea a dou motoreductoare). Decuplarea se poate face prin dou ci diferite: - decuplare pe cale software; - decuplare pe cale mecanica printr-un mecanism decuplator (soluie complicat,depit). 48

S

Varianta de antrenare din figura 36 asigur decuplarea micrilor cuplelor B i C, ns este dezavantajoas deoarece nrutaete calitile dinamice ale RI (elementul cinematic BC are o mas relativ mare deoarece pe el este montat motoreductorul)

Varianta din figura 36 este utilizat la antrenarea cuplelor H i G ale LP aparinnd unui RI n coordonate unghiulare. Lanul cinematic nchis, inclus n componena LP este bimobil. Articulaia H este decuplat iar G nedecuplat. Rigiditatea RI de acest tip este mai mare comparativ cu a unui RI serial articulat deoarece ultimul EC al LP este sprijinit suplimentar n punctul F. Din cauza complicatiilor constructive i a spaiului de lucru mare, actualmente nu se mai utilizeaz acest mecanism bimobil.

Fig. 35. Exemplu de LP cu micri decuplate B i C

Mecanismul plan monocontur bimobil (S)

Fig. 36. Mecanism plan monocontur bimobil antrenor a 2 cuple din LP 49

S

Fig. 37. Exemple de RI care utilizeaz pentru antrenarea a 2 cuple a LP mecanisme monocontur bimobile Din cauza complicatiilor constructive i a spaiului de lucru mare, actualmente nu se mai utilizeaz acest mecanism bimobil.

(model 1993)

50

S

Fig. 38. Familia de RI UD, firma Kawasaki, Japonia

RI de paletizare care au 4 grade de mobilitate i caracteristicile: - capaciti de ncrcare 100 ... 150 kg; - repatabilitate 0.5 mm.

Se observ mecanismul dublu paralelogram care conserv verticalitatea axei de rotaie a cuplei R de orientare

Fig. 39. IRB 4400, firma ABB

RI universal cu 6 grade de mobilitate: - capacitate ncrcare 60 kg, - repetabilitate unidirecionala 0.07 mm (ISO 9283) Datorit rotoreductoarelor relativ grele care acioneaz cuplele lanului de poziionare acestea sunt plasate ct mai aproape de baz. Micarea la ultima cupl a LP este transmis printr-un mecanism paralelogram.

51 Vezi: 1.Svia FeedLine at Husqvarna AB with ABB IRB 4400 Robot tending Chiron CNC-4m.mp4

vezi.0.Pick and Placing Bags of Soil with a Kawasaki Robot-2m.mp4

Acionarea indirect a LO se realizeaz, n marea majoritate a cazurilor, prin mecanisme cu roi dinate (planetare sau multiplanetare), combinate uneori cu mecanisme cu lanuri i/sau curele dinate.

Fig. 40. Schema antrenrii unui RI tip SCARA cu mecanism pinion-curea dinat.

Motoreductorul (MoR) 8 este destinat acionrii unicei cuple a LO. Micarea se transmite prin roile de curea 9, 11, 12, 14 care au diametre egale i prin curelele dinate 10 i 13. Sistemul de roi-curele dinate este similar unui mecanism dublu paralelogram. n consecina, dac motorul 8 este calat, prehensorul i va conserva orientarea indiferent de deplasrile n celelalte cuple ale LG. MoL pneumatic antreneaz n micare de translaie end-efectorul.

3.2 SOLUII DE ANTRENARE A POLICUPLELOR DE ROTAIE APARINND LO

52

MoRA MoRB

MoRC

Frecvent pentru acionarea LO se utilizeaz mecanisme cu roi dinate planetare sau multi-planetare. O soluie des aplicat plaseaz motoreductoarele care acioneaz mecanismul de orientare n extremitatea braului robot pentru realizarea unei echilibrri statice aproximative a acestuia

Fig. 41. Schema antrenrii mecanismului de orientare la un

robot Kuka

53 vezi: 3.Kuka kr5.mp4 4.Inside Axis 4, 5 & 6 of KUKA KR5 Robot-4m45s.mp4

In figurile 42 i 43 sunt reprezentate dou variante de mecanisme de antrenare pentru LO2 respectiv LO3.

Fig. 42. Schema unui MO2 Fig. 43. Schema unui MO3 (S)

Mobilitatea unui MO bazat pe LCSD este egal cu numarul cuplelor de rotaie a LO. Dac toate cuplele LO sunt antrenate direct, atunci micrile de orientare sunt decuplate ntre ele, adic antrenarea unei cuple nu are efect asupra celorlalte cuple i reciproc. Dac una sau mai multe cuple din LO sunt antrenate indirect, atunci micrile de orientare devin cuplate ntre ele, antrenarea unor cuple influeneaz i micrile din alte cuple.

I1 I2

decuplat

cuplat

54

3

2

1

4

5

Metode intuitive de determinare a GR: ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Metoda 1 1. Se identific micrile acionate de fiecare motor, considernd c celelalte motoare sunt blocate (calate). Numrul de micri suplimentare, antrenate de ctre un motor reprezint numarul cuplrilor induse de acel motor.

GC se calculeaza ca suma a micrilor suplimentare induse de fiecare motor de antrenare. Astfel MO2 din figura 19 are GR=0+1=1, iar MO3 din fig. 20 are GR=2+1+0=3. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Metoda 2 2. Metoda se bazeaz pe principiul inversiei. Se identific micrile de intrare antrenate de fiecare micare de orientare, considernd c celelalte micri de orientare sunt blocate. Numarul intrrilor suplimentare, antrenate de o micare de orientare, reprezint numarul cuplarilor corespunzatoare acelei micri de orientare.

GC se calculeaz ca suma a intrrilor suplimentare antrenate de fiecare dintre micrile de orientare ale MO.

GRADUL DE CUPLARE (GC) descrie numeric interdependena dintre acionrile micrilor de orientare sau de poziionare.

55

3.3 ROBOTOMECANISME DE TIP MOL- CONECTARE INDIRECT-POLICUPL DE ROTAIE

Pentru transformarea micrii de translaie (ieirea din MoL) n rotaie se utilizeaz urmatoarele mecanismele: cremalier-pinion, lan-rot de lan, fir-roat, curea dinat-roat de curea, urub-piuli, cam de rotaie-tachet, bare articulate. In figura 41 sint reprezentate patru variante de mecanisme transformatoare T-R bazate pe angrenajul cremalier-pinion, dintre care se folosesc curent a, c i d.

Fig. 44 MO cu mecanism de transformare cremalier-pinion 56

Exemplu de modul de rotaie acionat pneumatic care utilizeaz mecanismul de transformare pinion-cremalier, cu piston special pe care este prelucrat cremaliera.

Fig.45. Modul R. Productor Parker Inc. (www. parker.com)

57

a

La varianta b se observ soluia de eliminare a jocurilor ntre pinion i cremalier printr-un mpingtor cu arc. Ambele variante au absorbitori de oc integrai n capacele motorului pneumatic.

b

Fig. 46. Module R cu mecanism cremalier-pinion, piston dublu

Productor Parker Inc. (www. parker.com)

58

Exemplu de modul de rotaie acionat pneumatic care utilizeaz mecanismul de transformare pinion-cremalier dubl, cu pistoane speciale pe care sunt prelucrate cremalierele. Avantajul sistemului comparativ cu cel cu o singur cremalier const n dublarea momentului de torsiune, echilibrarea forelor radiale care acioneaz pe pinion. Dezavantejele sunt: creterea gabaritului i a masei. Caracteristici: rotaii 0 ... 1900, Mt = 0.38 ... 1.96 Nm la p=6 bar, au capacitate de ncrcare 590 ... 950 N, precizie de repetabilitate 0.050, masa = 0.36 1.16 kg, dou opriri precise la capete de curs.

Fig. 47. Modul R cu mecanism pinion-2 cremaliere, acionat pneumatic, familia RM 12, 15, 21 firma Gemotec (www.gemotec.com)

59

Fig. 49 Mecanismul patrulater utilizat la antrenarea unor cuple ale LP

Varianta din fig. 49a asigur micri decuplate ale cuplelor B i C, celelalte variante asigur decuplarea doar a micrii articulaie B.

Fig. 48 Mecanismul patrulater utilizat pentru transformarea T-R

60

BIBLIOGRAFIE

[CHEN99] I-Ming Chen a. Numerical Inverse Kinematics for Modular Reconfigurable Robots. Journal of robotic Systems. 164 (4), 1999. [CRI80] Crian Ion. Tehnologia ca sistem. Ed. tiinific i enciclopedic, Bucureti, 1980. [HAN00] P. K. Hansen, J. Thyssen. Continous Improvement and Modularization in theProduct Development Process. 2000-Report, Aalborg University.

[GUI99] Yang Guilin Kinematics, Dynimics, Calibration and Configuration Optimization of Modular Reconfigurable Robots. PhD Thesis, Nanyang Technological University, 1999.

[PAH91] Gerhard Pahl, Wolfgang Beitz. Engineering Design a Systematic Approach. Springer-Verlag, Berlin, 1988.

[PAR96] Christian Paredis. An Agent Based Approach to the Design of Rapidly Deployable Fault Tolerant Manipulators. PhD thesis. Carnegie Mellon University, 1996.

[SHI04] Sung Ho Shin. Analytic integration of tolerances in designing precision interfaces for modular robotics. Ph.D. Dissertation, The University of Texas at Austin, 2004.

2

1. NECESITATEA MODULARIZRIIRI

Fig. 1. Domeniul de aplicarea roboilor i sistemelor automate modulare [GUI99]

Pentru volum mare i variabilitate mic de sarcini sunt necesare productivitate i fiabilitate nalte ale sistemului de automatizare, cerine realizate doar de echipamente dedicate.

La cealalt extrem: volum redus i variabilitate mare a sarcinilor dau satisfacie doar echipamentele universale, care au flexibilitate maxim, deoarece doar un profit marginal ridicat pot acoperi capitalul investit i costurile de ntreinere.

n cazul valorilor medii ale volumului i variabilitii sarcinilor trebuie realizat un compromis ntre productivitate i flexibilitate. Flexibilitatea este asigurat capacitatea de reconfigurare a unitilor modulare iar productivitatea prin optimizarea celulelor de lucru modulare. 3

Definiie MODUL: este un subsistem, de sine stttor (funcioneaz independent), poate s-i ndeplineasc funciunea ntr-o mare varietate de condiii exterioare, are capacitatea de interconectare cu alte module, cu care formeaz sisteme de rang superior.

Definirea modulului

Subsistemul este caracterizat n principal de o funcie dominant. Modulul este un subsistem care n plus are funciuni specifice.

Modulul este o unitate funcional a crui elemente structurale sunt puternic conectate ntre ele i sunt relativ slab conectate cu elementele altor uniti [HAN00]. Deci modulul este un subsistem aproape decompozabil dintr-un sistem.

Modulele pot fi construite n scopul agregrii unor sisteme reconfigurabile sau pentru a facilita procesul de producie, ntreinere (vezi figura 10b din cursul 1, fiier RPTCM1 Def&Sist.ppt). Obiectul prezentului curs este prima categorie de sisteme robotice modulare.

4

Efectele pozitive, generale ale modularizrii se reflect n: - Proiectare. Creterea calitii proiectrii, micorarea timpului necesar dezvoltrii, deoarece spaiul de proiectare

este discret i finit n comparaie cu cel al unei proiectri convenionale unde acesta este continuu i infinit. n general, responsabilitatea pentru proiectarea de detaliu a unui modul i revine unei echipe puin numeroase sau unor furnizori externi. Ca urmare coordonarea, concentrarea pe o palet mai mic de probleme se face mult mai uor. n sintez concepia modular este soluia cea mai simpl de creare a noului, cu minimum de elemente de noutate [CRI80].

- Producie. Ieftinirea relativ a modulelor, datorit limitrii nomenclatorului de componente, simplificarea organizrii

fabricaiei, mrirea relativ a seriei deoarece o aceeai component poate fi folosit la mai multe produse modulare.

- Pia. Schimbarea rapid a produsului. Un nou produs poate fi dezvoltat din module existente i eventual

unele noi.

Varietate mare de produse. Produsele modulare pot avea multe variante fr a crete mult complexitatea sistemului.

- Exploatare. Scderea preului de cost al ntreinerii. n cazul sistemelor modulare reconfigurabile procesul de reconfigurare este mult facilitat de faptul c

utilizatorul privete modulul ca pe o cutie neagr (black box) cu interfee bine definite. Sistemele modulare reconfigurabile construite din module identice (vezi roboii modulari reconfigurabili) sunt tolerante la defectri avnd un grad nalt de redundan. 5

Efectele negative ale modularizrii RI (din punctul de vedere al utilizatorului):

- Pentru seturi modulare cu relativ puine tipodimensiuni de module, imposibilitatea de a agrega LG optim, relativ la aplicaia dat, posibil exceden sau insuficien funcional. - Anumite caracteristici funcionale pot fi atinse mai greu n comparaie cele ale unui sistem care a fost proiectat n concepie nemodular. - Anumite cerine speciale pot fi greu ndeplinite cu un sistem modular. - Mase i gabarite relativ mari ale modulelor, cu efecte nefavorabile asupra calitilor dinamice ale RIM, asupra erorilor de poziionare, orientare datorate deformrii elastice, asupra svelteei mecanismului de ghidare. Un modul monomobil include: policupla, motorul (pt. acionarea cu motoare electrice o frn, transmisia mecanic-reductorul armonic), sistemul de conectare mecanic care de obicei include i interfaa energetic i de comunicare. Pt. RI nemodulari controlerul este o unitate separat care conine interfeele senzorilor, amplificatorii de putere, procesoarele de control pt. toate articulaiile LG, rezult un numr mare de cabluri electrice de conectare soluie evident dezavantajoas pt. RI modulari. n consecin la RI modulari se utilizeaz hardware de control distribuit pe fiecare modul. 6

Concluzie: Robotii industriali modulari (RIM) sint destinai efecturii unor operaii relativ simple, aparinnd unor sarcini care nu dureaz mult i avnd variabilitate relativ mare, n medii unde nu sunt necesare viteze mari ale endefectorului, cu obstacole relativ puine.

Un factor determinant n asigurarea succesului comercial al RI modular (RIM) este reconfigurarea rapid, precis i cu costuri mici. Actualmente, la nivelul utilizatorului industrial, acest proces necesit mai multe etape relativ complicate. n condiiile produciei flexibile durata reconfigurrii raportat la cea a exploatrii unei configuraii a RIR este de multe ori mare, fapt ce mpiedic exploatarea economic a acestora.

Cele mai importante etape ale reconfigurrii unui RI sunt: - definirea sarcinii de lucru a RI; - determinarea configuraiei optime; - reconfigurarea mecanic; - generarea programului RI; - calibrarea. Dintre acestea, utilizatorul este specialist doar n prima etap, restul ar trebui s se fac cu

ajutorul unor interfee utilizator prietenoase care s efectueze cu un grad ct mai mare de automatizare.

7

Actualmente s-au impus seturile modulare cu acionare pneumatic (P) i electric (E). Seturile hidraulice (H) au fost practic eliminate datorit problemelor legate de etanare la nivelul cuplrii modulelor i cerinelor de mediu curat pentru multe aplicaii, costurilor relativ ridicate.

Capacitatea de ncrcare a RI modulari Datorit puterii specifice relativ reduse a acionrii P i E comparativ cu H, seturile modulare sunt destinate unor RI cu capaciti de ncrcare de ordinul kilogramelor.

Controlabilitatea P este mult mai puin controlabil dect E fiind un mediu compresibil i mult mai sensibil la perturbaii (temperatur etc).

Complexitatea sarcinilor Un modul cinematic monomobil P poate fi precis controlat n dou puncte (capetele de curs ale motorului P) i imprecis ntr-un punct intermediar. Deci un RI cu lan cinematic simplu deschis, agregat din module monomobile poate lucra cu 2n configuraii ale LG, unde cu n s-a notat gradul de mobilitate a LG. 62

De exemplu, pentru un LG cu n=6, caz rar ntlnit, rezult 26 = 64 de configuraii cu care evident nu se pot realiza sarcini complexe, traiectorii complicate. Deoarece un modul acionat electric poate fi teoretic controlat ntr-o infinitat