Structura generala a robotilor

Structura generala a robotilor

In 1920, scriitorul ceh Karel Čapek publica piesa de teatru Robotii universali ai lui Rosum, in care apare termenul robot, adoptat pe plan international dupa traducerea in limba engleza. La inceputul secolulului XX, este mentionata pentru prima data o masina capabila sa indeplineasca sarcini in locul omului.In ceha, cuvantul inseamna "muncitor, servitor" si a fost propus de fapt de fratele scriitorului, Josef.

Pentru a proteja omenirea de expansiunea pe care o poate lua dezvoltarea tehnologica a robotilor,scriitorul ISAAC ASIMOV a propus 3 legi care au fost ulterior adoptate la nivel mondial:

1Un robot nu poate vatama o fiinta umanasau sa permia ca un om sa fie vatamat.

2Un robot trebuie sa se raspunda ordinelor oamenilor cu exceptia ordinelor care comtravin primei legi

3Un robot trebuie sasi protejeze existenta atata

cat nu intra in conflict cu legea 1 si legea 2.

Primele cercetari in domeniul roboticii au fost initiate la inceputul anilor '60. Dupa un avant substantial al aplicatiilor roboticii in domeniul industrial, cu precadere in industria automobilelor, la inceputul anilor '90 s-au conturat multiple aplicatii in domeniile neindustriale (nemanufacturiere). Asupra acestor aplicatii dorim sa atragem atentia, cu atat mai mult cu cat s-a estimat ca robotica urmeaza sa joace un rol insemnat in restructurarea civilizatiei mileniului trei. Aceasta afirmatie poate fi usor sustinuta cu cateva date statistice continuite in ultimul raport (pe 2001) al IFR (International Federation of Robotics). Astfel, in anul 2000 s-au pus in functiune 98700 unitati de roboti, numarul total ajungand la 749800 de unitati, iar valoarea totala a pietei corespunzatoare acestui domeniu a fost estimata la 5,7 mld. de dolari SUA.
Statisticile privind tipurile de roboti arata sugestiv cresteri importante ale numarului robotilor care raspund unor aplicatii neindustriale. Beneficiile introducerii robotilor in industrie includ managementul controlului si al productivitatii si cresterea evidenta a calitatii produselor. Robotii pot lucra zi si noapte fara a obosi sau a-si reduce performanta. Consecvent realizeaza reduceri substantiale ale pretului de cost in primul rand prin reducerea consumurilor de materii prime si al prelucrarii automate a acestora. De asemenea utilizarea robotilor aduce avantaje pe piata concurentiala. Robotii ofera beneficii substantiale muncitorilor, industriilor si implicit tarilor. In situatia folosirii in scopuri pasnice, robotii industriali pot influenta pozitiv calitatea vietii oamenilor prin inlocuirea acestora in spatii: periculoase, cu conditii de mediu daunatoare omului, cu conditii necunoscute de exploatare etc. Prin dezvoltarea rapida a industriei si a tehnicii de calcul, putem observa evolutia robotilor industriali catre generatiile inteligente ce le ofera caracteristica de a 'intelege' mediul in care lucreaza. Aceasta dezvoltare, chiar spectaculoasa, in directia aplicatiilor neindustriale justifica trecerea in revista in randurile de mai jos a principalelor subdomenii in care robotii nemanufacturieri sau robotii de serviciu isi pot gasi aplicabilitate.
Aceste domenii sunt constructiile, reabilitarea bolnavilor, comert, transport si circulatia marfurilor, administratia locala, protectia mediului inconjurator si agricultura; supraveghere, inspectie, protectia de radiatii si interventii in caz de catastrofe; hoteluri si restaurante; in medicina, gospodarie, hobby si petrecerea timpului liber.

Sistemul de actionare al robotilor industriali serveste la transformarea unei energii potentiale (hidraulica, electrica, pneumatica) in energie mecanica si transmiterea miscarii mecanice rezultate la cuplele cinematice conducatoare. Deci sistemul de actionare consta din unul sau mai multe motoare rotative sau liniare , transmisii mecanice si mecanisme pentru transmiterea si transformarea miscarii mecanice. Robotii industriali de topologie seriala sunt lanturi cinematice spatiale deschise cu actionarea independenta a fiecarei cuple si a dispozitivului de prehensiune. Cuplele cinematice conducatoare au la dispozitie o sursa de energie exterioara. In constructia robotilor cele mai utilizate surse de energie sunt :

Electrica ;

Hidarulica ;

Pneumatica ;

Robotica nu a creat noi solutii pentru actionarea robotilor industriali dar a preluat ultimele noutati in ceea ce privesc sistemele de actionare in special din domeniul masinilor-unelte cu comanda numerica.Fiecare tip de actionare prezinta avantaje si dezavantaje care ii reconada in anumite siuatii si impun restrictii in altele.

1. Actionarea electrica

Actionarea electrica este cel mai raspandit tip de actionare a robotilor industriali , datorita unor certe avantaje cum ar fi :

disponibilitatea energiei electrice;

simplitatea racordarii echipamentelor la retea;

constructia robusta si fiabilitatea motoarelor electrice;

pret accesibil;

compatibilitate cu sistemul de comanda si cu senzor

Principalul dezavantaj il constituie necesitatea utilizarii unor mecanisme suplimentare pentru adaptarea vitezei unghiulare si a momentului motor la cerintele concrete ale cuplelor motoare. Variatoarele de turatie necesare sunt complicate din punct de vedere tehnologic deoarece trebuie sa realizeze rapoarte de transmitere foarte mari.

Actionarea electrica se compune din :

grupul moto-reductor;

variatorul de turatie;

dispozitive de masurare a vitezei si pozitiei.

Grupul moto-reductor se compune dintr-un motor electric si un reductor de turatie. Motoarele electrice utilizate sunt de curent continuu sau pas cu pas. Deoarece robotii sunt caracterizati prin viteze, acceleratii mari si o ridicata precizie de pozitionare este necesar ca momentele de inertie ale rotorului sa fie reduse ca si al primei trepte de transmisie.

2. Actionarea hidraulica

Este tipul de actionare care are cea mai mare raspandire dupa cea electrica , cu toate ca initial la inceputurile roboticii se situa pe primul loc . Ea permite dezvoltarea de puteri mari si nu necesita mecanisme suplimentare pentru transmiterea si transformarea miscar Dezavantajele constau in aceea ca necesita un grup de actionare hidraulica si au o precizie de pozitionare redusa. Mai raspandita este actionarea electro-hidraulica , care imbina avantajele celor doua tipuri de actionari.

3. Actionarea pneumatica

Actionarea pneumatica este cea mai putin raspandita datorita in primul rand preciziei reduse si a cuplurilor reduse pe care le dezvolta.

4. Comanda robotilor industriali

Principala sarcina a structurii de comanda a miscarii    consta in a transfera structura mecanica dintr-o pozitie de stare initiala intr-una finala. Aceasta implica :

definirea pozitiilor ;

acceleratiilor si vitezelor ;

a fortelor ;

a diferitelor restrictii ;

indicarea succesiunii miscarilor ;

ndicarea duratei miscarilor.

Formuland in acest mod problema comenzii, aceasta se rezolva folosind atat teoria sistemelor , dar dificultatile se datoreaza nelinearitatii sistemelor si a dimensiunilor mari ale sistemului condus.

Structurile mecanice pot fi redundante, mai multe configuratii putand asigura aceasi pozitie si orientare a robotului.

In prezent structurile mecanice de manipulare a robotilor au sisteme simple de comanda a miscarii , formate din circuite de reglare clasice, independente , pentru fiecare grad de libertate. O astfel de structura nu este adecvata sistemelor multivariabile, neliniare , care in realitate descriu structurile utilizate in practica. Multi dintre robotii utilizati au performante limitate din cauza sistemului de comanda.

Fig.2 Structura sistemului de comanda a unui grad de libertate

Performantele realizate de comenzile clasice sunt acceptabile in cazul deplasarilor cu viteze mici cu caracteristici dinamice care variaza lent. Comanda robotilor industriali, corespunzatoare structurii generale a unui robot de topologie seriala se realizeaza pe mai multe niveluri ierarhice. O ierarhizare in functie de creiterii mai specializate conduce la aparitia urmatoarelor niveluri :

nivelul decizional = stabileste planul de actiune al robotului , in functie de sarcinile primite si de restrictiile din mediul extern , sesizate de catre senzori ;

nivelul strategic = imparte actiunile generale din planul robotului in operatii si miscari elementare ;

nivelul tactic = descompune miscarile elementare in miscari ale fiecarui grad de libertate ;

nivelul de executie = realizeaza miscarea fiecarui grad de libertate .

Numarul nivelurilor ierarhice ale fiecarui robot depinde de complexitatea sistemului de comanda si de sarcinile robotului , dar nu pot lipsi nivelul de executie si cel tactic.

Fiecare nivel ierarhic superior este raspunzator de comportarea generala a robotului, fata de nivelurile ierarhice inferioare. In ierarhia de comanda informatiile de decizie circula de sus in jos , iar informatia de feed-back de jos in sus.

Fiecare nivel ierarhic de comanda permite comunicarea cu operatorul uman. Comanda operatorului uman este prioritara , pe orice nivel de comanda , fata de deciziile pe care le ia robotul in regim automat. De asemeni fiecare nivel de comanda primeste informatii senzoriale din mediul extern , functie de care isi adapteaza modul de functionare. Pe nivelul inferior se foloseste informatia de pozitie , viteza , forta , iar pe cel superior cea furnizata de camerele TV.

5. Nivelul tactic

In funtie de sarcina pe care trebuie sa o indeplineasca , traiectoria efectorului robotului descrie curbe cum ar fi dreapta , cercul sau o curba oarecare in spatiu. La inceputurile roboticii traiectoria de miscare se memora pe un suport magnetic prin invatare , inregistrandu-se cu o anumita frecventa pozitiile aprtinand traiectoriei. La functionarea automata valorile memorate erau transmise ca marimi de referinta buclelor de reglare a pozitiei. Acest sistem necesita insa un mare volum de memorie si orice modificare , oricat de mica a traiectiriei necesita redefinirea ei in intregime , dar are avantajul ca se pot descrie curbe spatiale complexe greu de definit analitic. Definirea analitica a traiectoriei are avantajul ca aceasta este memorata parametric si nu ca o multime de puncte in spatiu , memoria necesara a fi alocata fiind mica. Pentru a se evita obstacolele externe se introduc un numar de puncte intermediare prin care traiectoria robotului sa treaca.

Rezulta patru multimi de parametri care descriu traiectoria robotului :

miscarea coordonata = toate motoarele isi termina miscarea in acelasi timp ;

miscarea necoordonata = fiecare motor ajunge in timp minim la punctul final.

Mai exista si alte clasificari ale miscarilor robotului :

miscare in contact ( cu obiectele exterioare ) = robotul se opreste sau isi schimba directia de miscare la contactul cu obstacole exterioare ;

miscare "complianta    = bratul robotului reactioneaza la fortele exterioare, incercand sa le tina stabile si minime pe parcursul miscarii ;

miscare grosiera = robotul executa miscari cu viteze si acceleratii mari ;

miscare precisa = robotul executa miscari cu viteze si acceleratii mici , asigurand precizia de pozitionare.

Diferitele tehnici de generare a traiectoriei au fost pe larg expuse in capitolul 3 , drept pentru care nu le vom mai relua. Stabilirea modului de planificare a traiectoriei robotului , in corodonate interne sau externe , depinde de cerintele specifice aplicatiei si de prezenta obstacolelor in interiorul spatiului de lucru. Pentru un spatiu de lucru fara obstacole, in care aplicatia cere efectuarea unor operatii cu robotul in repaus, in anumite puncte esentiale ale spatiului se face o interpolare in coordonate interne prin functii care permit o viteza de pornire si oprire nula. Aparitia obstacolelor in spatiul de lucru impune programarea unor puncte intermediare, fata de cele esentiale , in care robotul aflat in repaus efectueaza operatii utile. Traiectoria trebuie interpolata in coorodnate externe , astfel incat robotul sa treaca prin toate punctele. Coordonatele punctelor esentiale se transforma din coordonate externe in coordonate interne.

Daca spatiul de lucru al robotului nu prezinta obstacole intre doua puncte intermediare , sau aplicatia impune un anume tip de traiectorie ( dreapta , cerc ) atunci traiectoria se programeaza in coordonate externe, iar transformarile din coordonate externe in coordonate interne se fac cu frecventa de esantionare. Iata de ce se impune sa realizam un algoritm si un program aferent lui care sa rezolve in timp minim problema cinematica inversa. In planificarea traiectoriei robotului se tine seama de configuratia robotului, de obstacole, si de alti factori cinematici ( viteza si timp minim ) precum si de limitele vitezelor si acceleratiilor ce pot fi dezvoltate de catre elementele de actionare. Intotdeauna vor exista abateri de la traiectoria ideala planificata datorita problemelor de dinamica si ale sistemului de actionare. Putem realiza structuri de comada utilizand fie modelul cinematic , fie pe cel dinamic. Deasemeni comanda robotilor se poate realiza in spatiul coordonatelor interne sau externe.

q`<sub>r</sub>(t) q`(t)

Bloc de Sistem de Sistem de Robot

calcul + - reglare actionare

Traductor

de pozitie

Fig.3 Structura de comanda a unui robot

Comanda in viteza ( cinematica ) este frecvent intalnita la robotii industriali. In cazul unui robot industrial traiectoria efectorului este descrisa intr-un sistem cartezian fix , extern , de catre vectorul vitezelor operationale. Unitatea de comanda calculeaza pentru fiecare perioada de esantionare referintele pentru cele "n" motoare ale sistemului de actionare. Fiecare motor poseda un circuit de reglare , numeric sau analogic pe viteza si unul pe pozitie. Structura de comanda a unui robot care foloseste modelul cinematic este redata in figura de mai jos. Exista in spatiul pozitiilor si puncte pentru care nu exista solutie a problemei cinematice inverese, puncte care se numesc puncte singulare. In aceste puncte miscarea coordonata a robotului nu este posibila , dar nu se neaga posibilitatea miscarii in general.    Alteori putem utiliza modelul dinamic pentru structura de comada a unui robot. Pentru a-l putea folosi modelul dinamic ales trebuie sa fie liniarizat. Liniarizarea se face in jurul punctelor initiale , finale si intermediare cu ajutorul unor coeficienti. Modelele liniare se pot considera invariante numai in jurul punctului respectiv. Daca se au in vedere deplasari mari in spatiul de lucru , trebuiesc efectuate mai multe liniarizari, ceea ce mareste volumul de calcule.