1

1. IntroducereRobotul reprezint n momentul de fa punctul de intersecie al rezultatelor de vrf ntr-o serie de domenii: mecanic, automatic, calculatoare i sisteme de acionare. Aceast congruent a unor ramuri tiinifice i tehnologice att de diferite se explic prin complexitatea deosebit a robotului, att sub raportul arhitecturii mecanice, ct i n ceea ce privete sistemul de conducere.

Propriu-zis, robotul este rezultatul firesc al evoluiei de la mainile unelte automatizate, mainile cu comand program, liniile automate de fabricaie etc. n momentul n care rigiditatea i inflexibilitatea acestora nu a mai corespuns cerinelor actuale de productivitate i calitate, iar omul a ncercat s execute aciuni directe, nemijlocite asupra proceselor cptnd un rol de supraveghere i control.

Deci robotul, ca rezultat al acestor dezvoltri tehnico - tiinifice, poate fi definit ca un sistem tehnologic capabil s nlocuiasc sau s asiste omul n exercitarea unor aciuni diverse asupra mainilor sau liniilor de producie.

n acest context, apare evident complexitatea problemelor privind att

construcia i acionarea roboilor ct i, n special, conducerea lor.

1.1. Componentele fundamentale ale sistemului robotPrivit n toat complexitatea sa, un sistem robotic cuprinde urmtoarele

componente (figura 1.1):

a) spaiul de operare;

b) sursa de energie

c) sursa de informaie

d) robotul.

Figura 1.1

Spaiul de operare al unui robot este strns legat de domeniul de lucru al acestuia, de gama aplicaiilor la care particip. Acest spaiu este definit direct de parametrii arhitecturii mecanice a robotului i este restricionat pe de o parte de anumite caracteristici ale elementelor interne, mecanice, i pe de alt parte de caracteristicile obiectelor implicate n procesul tehnologic.

Sursa de energie constituie suportul energetic necesar pentru punerea n micare att a elementelor mobile ale robotului ct i pentru asigurarea alimentrii electrice a sistemului de acionare i a celui de conducere. Sursa de informaie definete modul de operare al robotului, caracteristicile de baz ale funcionrii acestuia, structura algoritmilor de conducere n funcie de specificul operaiei, de modul de prelucrare a informaiei de baz (n timp real sau nu) i de relaia robot - operator existent n procesul de operare. Aceast relaie poate determina funcionarea automat, independent, a robotului sau n asociere

cu operatorul (de exemplu sistemele de teleoperare).

Robotul, componenta de baz a acestui sistem, este format din dou pri: unitatea de prelucrare a informaiei i unitatea operaional.

Unitatea de prelucrare a informaiei este un complex hardware-software ce primete date privind instruciunile ce definesc operaiile executate, msurtori privind starea unitii operaionale, observaii asupra spaiului de operare al robotului, date pe baza crora determin n conformitate cu algoritmii de conducere stabilii, deciziile privind modalitatea de acionare a unitii operaionale etc.

Unitatea operaional corespunde robotului propriu-zis cuprinznd structura

mecanic a acestuia i sistemul de acionare asociat. Aceast unitate acioneaz asupra spaiului de operare utiliznd i transformnd energia furnizat de surs i reacionnd adecvat la semnalele primite din exterior. n componena robotului distingem: elementele care interacioneaz direct cu spaiul de operare (elementele efectoare, gripere sau mini), componente de structur (articulaii, segmente), modulatoare de energie (amplificatoare), convertoare de energie (motoare), sisteme de transmisie a energiei mecanice i senzori interni.

Figura 1.2

Robotul acioneaz asupra spaiului su de operare sub diverse forme:

deplasarea unor piese n anumite poziii (manipulare), prelucrarea i transformarea unor produse, asamblarea unor componente, dezasamblarea unor piese n componentele lor, sudarea pieselor, msurarea unor parametrii specifici ai produselor sau chiar a spaiului de operare etc. n figura 1.2 sunt prezentate cteva din aceste operaii, operaia de manipulare a unor piese pentru o prelucrare ulterioar la o main unealt (figura 1.2, a), operaia de vopsire (figura 1.2, b) i operaii de asamblare (figura 1.2, c).

Numeroasele aplicaii i funciuni exercitate de un robot pun n eviden dou caracteristici eseniale ale acestor sisteme: versatilitatea i autoadaptarea la mediu.

Versatilitatea definete capacitatea fizic a robotului de a realiza diverse funcii i de a produce diverse aciuni n cadrul unei aplicaii tehnologice date. Aceast proprietate este strns legat de structura i capacitatea mecanic a robotului, ea implicnd configuraii mecanice cu geometrie variabil a cror

flexibilitate s acopere cerinele de operare.

Autoadaptarea constituie, de asemenea, o proprietate deosebit de important a roboilor ce confirm gradul de inteligen al acestor sisteme. Ea definete capacitatea acestora de a lua iniiativa n realizarea unor operaii incomplete specificate prin programul de conducere, proprietatea de a sesiza anumite modificri ale mediului de operare, posibilitatea de a stabili un plan complet de operaii avnd jalonate numai anumite faze semnificative etc.

1.2. Componentele fundamentale ale structurii mecaniceRoboii industriali utilizai n momentul de fa prezint soluii constructive i conceptuale neunitare datorit, n special, diversitii sarcinilor cerute, parametrilor tehnici impui i aplicaiilor specifice pentru care au fost proiectai. Cu toat aceast aparent neunitate, robotul prin structura sa mecanic poate fi considerat ca un sistem omogen format din elemente cu funcii bine precizate care asigur interaciunea nemijlocit ntre robot i obiectul aciunii sale din spaiul de operare.

Principalele componente ale structurii mecanice sunt: elementul efector, braul i baza robotului.

Elementul efector denumit uneori i griper, element de prehensiune, mn sau pur i simplu element terminal asigur contactul direct, nemijlocit dintre robot i obiectul din spaiul de operare asupra cruia acioneaz. Acest element difer constructiv dup gama aplicaiilor i dup natura funciei realizate. Astfel, elementele efectoare utilizate n sudur difer de cele folosite n operaiile de manipulare sau de vopsire.Un astfel de element cuprinde:

corpul propriu-zis, cu o structur mecanic adecvat funciei realizate;

unul sau mai multe dispozitive de acionare;

unul sau mai muli senzori pentru determinarea regimurilor critice ale

operaiei realizate.

Trebuie remarcat faptul c soluiile constructive adoptate tind spre realizarea fie a unui element multifuncional cu o gam larg de aplicaii, fie spre un element efector monofuncional cu o destinaie precis.

Braul robotului servete pentru poziionarea corect a elementului efector. n acest scop, braul reprezint o structur mecanic cu o geometrie variabil obinut prin legarea n cascad a unor segmente conectate prin articulaii de rotaie sau translaie. Sistemele de acionare corespunztoare asigur micrile independente ale fiecrui segment n raport cu segmentul precedent. Aceste micri

sunt n general restricionate de anumite caracteristici ale arhitecturii mecanice.

Toate aceste elemente i subansamble se monteaz pe un cadru special ce formeaz baza robotului. Aceast baz se aeaz fie pe un postament fix sau mobil (n funcie de tipul robotului), fie se suspend pe o cale de ghidare cu in.

Elementele enumerate formeaz structura de baz a oricrui robot industrial. n afar de aceast structur clasic, n construcia roboilor pot apare sisteme de locomoie, sisteme cu 2-3 brae, sisteme cu 2-3 elemente efectoare etc.1.3. Robotul obiect de conducere

Roboii, prin structura i funciile lor reprezint o clas de sisteme ce sintetizeaz elemente de vrf dintr-o serie de domenii tehnico - tiinifice. De fapt, prin atribuiile sale robotul imit sau substituie funciile de locomoie, manipulare i de intelect ale omului. Este evident, deci, c robotul reprezint un sistem extreme de complex, descris prin modele matematice sofisticate definite prin sisteme de ecuaii difereniale neliniare, cu parametrii variabili, deterministe sau stohastice, cuprinznd un numr mare de variabile de intrare i ieire.

Funcia de baz a robotului este reprezentat de micarea acestuia n spaiu, deci regimurile statice i dinamice ale structurii mecanice vor reprezenta punctul de plecare n definirea robotului ca obiect de conducere.

Pentru exemplificare, s considerm un robot cu trei articulaii de rotaie (figura 1.3). Micarea, evoluia robotului, este determinat de cele trei moment M1, M2, M3 aplicate n articulaii, acestea determinnd rotirea segmentelor corespunztoare i deci obinerea unei noi poziii a braului, poziie definit prin

noile valori ale unghiurilor q1, q2, q3.

Figura 1.3Considerat, deci, ca obiect orientat de conducere, robotul primete un vector de intrare definit de forele generalizate aplicate n articulaii i genereaz un vector de ieire format din unghiurile (sau deplasrile) articulaiilor.

Analiza ca obiect condus impune, totodat, definirea vectorului de stare al robotului. n general, acest vector este determinat de coordonatele generalizate stabilite n articulaii (unghiuri sau deplasri) i de derivatele acestora (vitezele generalizate ale micrii). Relaiile intrare stare ieire specifice robotului sunt date prin ecuaii difereniale, neliniare, obinute pe baza regimurilor dinamice ale acestuia. Deducerea acestor ecuaii i analiza cantitativ i calitativ a micrii vor constitui obiectul capitolelor urmtoare ale lucrrii.

Reprezentarea din figura 1.3 corespunde unei descrieri formale a robotului ca obiect condus fr a preciza implicaiile tehnologice ale structurii de conducere.

Figura 1.4

n figura 1.4 sunt prezentate soluii constructive privind principalele blocuri ale unui astfel de sistem. Se observ c variabilele principale ce intervin n conducerea robotului sunt generate sau prelucrate n blocuri i component specializate. Astfel, activarea articulaiilor mecanice este realizat prin intermediul

blocului de acionare care, pe de o parte determin algoritmul de control pentru fiecare articulaie, iar pe de alt parte asigur sursa energetic necesar micrii.

Msurarea informaiilor de deplasare precum i toate celelalte date care restricioneaz micarea n spaiul de operare este realizat ntr-un bloc senzorial. El este format practic din sisteme de traductoare specializate pentru msurtori unghiulare sau liniare precum i din senzori specializai de tip tactil, de for - moment sau vizuali care ofer robotului o mai complet adaptabilitatea la

modificrile mediului de operare.

Informaiile furnizate sunt captate de un calculator specializat care, pe baza unor algoritmi implementai hardware (microprogramai) sau software, genereaz controlul adecvat al sistemului de acionare.

1.4. Sistem de conducere - sistem ierarhic

Structura de conducere al unui robot este o structur ierarhic. Acest principiu de conducere este datorat complexitii deosebite a sistemelor ce intr n componena robotului i a dificultilor create de sarcinile de operare impuse.

Organizarea ierarhic a sistemelor de control pentru roboi este de tip vertical, fiecare nivel ierarhic acoperind nivelul inferior sub raportul problemelor de conducere abordate. Un nivel de control comunic cu nivelul imediat inferior prin instruciuni de control i primete de la acesta informaii caracteristice care, mpreun cu deciziile furnizate de nivelul imediat superior, i permit s stabileasc strategia viitoare de aciune.

n general sistemele robot cuprind un numr variabil de nivele ierarhice n funcie de complexitatea i gradul de "inteligen" al sistemului de conducere utilizat.

Nivelul ierarhic superior l reprezint la roboi, ca i la alte sisteme complexe de conducere, operatorul uman. Acesta comunic cu sistemul de conducere sub diverse moduri, intervenind periodic numai n cazul schimbrii unor direcii strategice de conducere, situaii de avarie sau n cazul apariiei unor perturbaii externe neprevzute.

Sistemul de conducere propriu-zis cuprinde patru nivele ierarhice. Nivelul cel mai nalt corespunde sistemelor ce au posibilitatea recunoaterii obstacolelor n spaiul de operare i permite luarea unor decizii adecvate la schimbarea condiiilor de lucru. Nivelul imediat inferior este denumit nivel strategic n care se produce defalcarea operaiei preconizate n operaii elementare. Nivelul urmtor este

denumit nivel tactic, n el producndu-se distribuirea micrilor elementare n micarea pe fiecare grad de libertate, deci, n cadrul su generndu-se efectiv traiectoriile de micare. Ultimul nivel, nivelul inferior, este nivelul executiv, acesta coordonnd funcionarea diverselor sisteme de acionare asociate gradelor de libertate ale robotului.

Figura 1.5

Aceste patru nivele ierarhice sunt ntlnite evident la roboii cu o organizare superioar care aparin generaiilor 2 sau 3. Roboii sau manipulatoarele industrial uzuale ( generaia 1) au sisteme de conducere cu numai dou nivele ierarhice, nivelele inferioare.

1.5. Structura informaional a sistemelor de conducere

Sarcinile care stau n faa unui sistem de conducere determin o mprire a informaiilor de lucru n dou clase, pe de o parte informaii ce asigur regimul de micare dorit i pe de alt parte informaii ce acoper funcia tehnologic impus robotului. n figura 1.6, ramura din stnga corespunde informaiilor de micare. Programele de micare cuprind elemente de baz ale algoritmilor de micare ce calculeaz ntre anumite puncte, prin tehnici de interpolare, traiectoria robotului.

Informaia rezultat este defalcat pe axele de micare i servete ca referin n acionarea efectiv a braului mecanic. Acest traseu informaional este prevzut cu 4 ci de reacie. Reacia de tip este o reacie obinut prin construcie mecanic i nu afecteaz procesul de control al micrii.

Figura 1.6

Reacia asigur coreciile necesare pentru meninerea robotului pe traiectorie. Informaia respectiv este obinut de la traductoarele de deplasare montate pe fiecare articulaie. Calea de reacie asigur modificri cantitative i calitative n programele de micare. Aceste modificri sunt determinate de informaiile furnizate de un sistem senzorial adecvat care identific modificri n structura spaiului de operare (schimbarea poziiei obiectelor, apariia unor obstacole etc.) Reacia determin o gestionare intern (proprie) a programelor de conducere n funcie de modificrile survenite n procesul tehnologic i eventual n comportarea robotului.

Ramura din dreapta a fluxului informaional (figura 1.6) corespunde informaiilor ce activeaz elementele terminale, sistemul efector i dispozitivele de prelucrare tehnologic.

Figura 1.7

n figura 1.7 sunt prezentate detaliat blocurile componente ce intervin n prelucrarea informaional ce nsoete procesul de conducere al unui robot.

Legturile externe ale sistemului sunt realizate sub forma unui dialog ctre un operator local sau ctre un calculator ce supervizeaz sistemul. Prin aceste dou interfee se obine practic o gestiune adecvat a sistemului de programe. Programul de conducere selectat determin cele dou funcii: de micare i de operare tehnologic, fiecare din acestea fiind realizate prin bucle de control proprii.

1.7 Structura programelor de conducere

Organizarea programelor de conducere reprezint un aspect foarte important n sistemele de conducere ale roboilor, de aceasta depinznd n mare msur performanele realizate i complexitatea soluiilor hardware adoptate. Cea mai simpl modalitate de realizare a programelor este bazat pe exploatarea secvenial a blocurilor componente n cadrul unei structuri fixe, de lungime constant (figura 1.8).

Fiecare bloc de informaie conine ansamblul de date ce definete o anumit comand. Succesiunea de comenzi, ntr-o ordine bine precizat, determin o operaie tehnologic complet a robotului.

Figura 1.8

Explorarea blocurilor este realizat de un registru distribuitor incremental la sfritul fiecrei secvene tehnologice (o secven tehnologic reprezint efectul obinut prin exercitarea unei singure comenzi).

O modalitate superioar de conducere este obinut prin structurile variabile de programe (figura 1.9). n acest caz, trecerea de la o comand la alta este realizat ntr-o manier adaptiv, pe baza deciziilor furnizate de ultimul bloc de date i pe baza informaiilor furnizate de sistemul senzorial al robotului, deci pe baza ultimelor rezultate obinute din spaiul de operare al acestuia. O astfel de

structur confer sistemului de conducere o elasticitate ridicat, o flexibilitate sporit la orice modificri ale parametrilor robotului sau mediului de lucru.

Figura 1.9

1.8 ConcluziiMajoritatea roboilor i manipulatoarelor industriale opereaz n practic n condiii cunoscute anticipat, funcionnd ciclic n conformitate cu cerinele tehnologice impuse. Ca urmare, este posibil sinteza unei conduceri nominale, a unui control programat, ce implementeaz micarea dorit pentru o stare iniial

particular considernd c nici o perturbaie nu afecteaz micarea. Un astfel de control poate fi sintetizat utiliznd modelul centralizat (global) al robotului.

ntruct aceste modele sunt, n general, destul de precise, este de ateptat ca traiectoria realizat de robot prin exercitarea acestui control s fie destul de correct executat.

Sinteza acestui control este realizat, de obicei, off-line definind mai nti traiectoria de micare n conformitate cu cerinele tehnologice de funcionare ale robotului i calculnd apoi mrimile de control necesare pentru acionarea acestuia.

Aceasta nseamn c nivelul de control tactic se reduce la o simpl memorare a traiectoriilor i a secvenelor de control adecvate.

Figura 1.10

Aceast soluie este, n general, unanim acceptat n aplicaiile industrial ale roboilor i manipulatoarelor, calculul off-line al controlului fiind realizat ntrun calculator suficient de puternic, ce acoper un numr mare de sisteme de conducere, n timp ce controlul efectiv al roboilor la nivel executiv cade n sarcina unor automate locale, microprocesoare sau microcalculatoare specializate.

O problem deosebit, n sinteza controlului la nivel tactic, apare datorit redundanei structurii mecanice. Aceast problem poate fi eliminat prin introducerea unor criterii suplimentare care s penalizeze i s restricioneze posibilitile de micare ale robotului. n acest fel, o conducere optim sau

suboptimal satisface pe de o parte anumite criterii de performan i nltur, pe de alt parte, aspectele conducerii redundante. Evident ca o astfel de tratare presupune o abordare la nivele ierarhice superioare, algoritmii respectivi necesitnd un suport hardware i software substanial.

Complexitatea modelelor matematice ale ntregii structuri mecanice face, de cele mai multe ori, improprie implementarea unor algoritmi de conducere. n acest caz, este preferat decuplarea modelului n subsisteme, n mod normal fiecrei articulaii (sau a unei grupe de articulaii) asociindu-i-se un subsistem. Legea de conducere este determinat din condiiile de stabilizare local a fiecrui subsistem ceea ce nu conduce ntotdeauna la o comportare satisfctoare pe ansamblul problemei de conducere. n astfel de situaii se introduc suplimentar bucle de reacie global care s mbunteasc performanele dinamice ale sistemului. Noua configuraie de conducere obinut poate deveni att de complex nct decuplarea realizat n prima faz i pierde sensul.

Cu toate aceste neajunsuri, tehnica decuplrii poate fi utilizat cu success dac se ine cont de faptul c, n condiiile definirii fiecrui grad de libertate ca un subsistem propriu, cuplajul ntre subsisteme este determinat de forele i momentele in articulaie. Este posibil sa se elimine interaciunea dintre subsisteme prin introducerea unor bucle de compensare adecvate. Aceast metod prezint inconvenientul utilizrii unor traductoare for - moment, n general traductoare pretenioase, costisitoare. Cu toate acestea, procedura este atractiv datorit, n special, utilizrii unor algoritmi de conducere mult mai simpli dect n variant clasic.

Conducerea roboilor prin msurarea forelor-momentelor se impune de asemenea n operaiile de asamblare cnd robotul vine n contact direct cu anumite obiecte. n acest caz, conducerea prin controlul forei permite o mai bun adaptare la fluctuaiile parametrilor spaiului de operare realiznd totodat performane dinamice satisfctoare.

1

_1294636395.psd

_1294636397.psd

_1294636399.psd

_1294636400.psd

_1294636745.psd

_1294636398.psd

_1294636396.psd

_1294636393.psd

_1294636394.psd

_1294636392.psd