Roboți industriali

Caracteristici și clasificare. Aspecte cinematice și configurații

constructive

Roboți industriali

• Roboţii industriali sunt instalații de manipulare destinate deplasării pe traiectorii variabil programabile a unor obiecte având posibilitatea efectuării unei diversități de operații.

Caracteristici generale• sunt realizați pentru a executa în principal operații de manipulare, deplasare

și transport, care necesită viteză și exactitate, dar pentru forțe limitate;• posedă mai multe grade de libertate (2-6) astfel încât să poată executa

operații complexe;• sunt autonomi sau relativi autonomi;• sunt dotați cu o memorie reprogramabilă capabilă să acumuleze date

necesare executării operațiilor;• sunt dotați cu capacitate logică, în general redusă, astfel încât pot lua decizii

între diverse alternative.

Roboți industriali

• Activităţile de fabricaţie s-au automatizat - robotizat atunci când:– energia necesară sau mediul înconjurător depășește posibilitățile de suportare

ale operatorului uman;– priceperea necesară pentru a produce ceva util depășește capacitățile

operatorului uman;– cererea pentru produs este atât de mare încât există o motivație pentru

căutarea unor modalități de fabricație mai bune.

Clasificare

• După informaţia de intrare şi modul de învăţare al robotului industrial:• Manipulator manual - este acționat direct de către om;• Robot secvenţial - are anumiți pași ce “asculta” de o procedurã predeterminată.

– robot secvențial fix, la care informația predeterminatã nu poate fi ușor modificată;– robot secvențial variabil, la care informația predetrminată poate fi ușor schimbată;

• Robot repetitor (playback) - la început omul învață robotul procedura de lucru, acesta memorează procedura, apoi o poate repeta de câte ori este nevoie.

• Robot cu control numeric. - robotul industrial execută operațiile cerute în conformitate cu informațiile numerice pe care le primește.

• Robotul inteligent își decide comportamentul pe baza informațiilor primite prin senzorii pe care îi are la dispoziție și prin posibilitățile sale de recunoaștere.

Clasificare

• După forma mişcării • Robotul cartezian este cel ce operează într-un spațiu definit de

coordonate carteziene;• Robotul cilindric este similar celui cartezian, dar spațiul de lucru al

brațului este definit în coordonate cilindrice;• Robotul sferic (polar) are spațiul de lucru definit în coordonate

sferice (polare);• Robotul protetic are un braț articulat;• Roboţi industriali în alte tipuri de coordonate.

Clasificare

• După generaţii sau nivele, în funcţie de comanda şi gradul de dezvoltare al inteligenţei artificiale:

• Roboţi din generaţia I - acționează pe baza unui program flexibil, dar prestabilit de programator, care nu se mai poate schimba în timpul executiei;

• Roboţii din generaţia a-II-a - programul flexibil prestabilit poate fi schimbat în limite foarte restrânse în timpul execuției;

• Roboţii din generaţia a-III-a - posedă însușirea de a-și adapta singuri programul în funcție de informațiile culese prin proprii senzori din mediul ambiant.

Roboți industriali

Sistemul mecanic al roboților industriali

• Sistemul mecanic al roboților industriali corespunde brațului și mâinii umane. • Sistemul mecanic este constituit dintr-un lanț cinematic format din elemente rigide

interconectate prin cuple de rotație sau translație care permit mișcarea lor relativă.• Capătul inferior al lanțului cinematic este fixat în batiu, iar capul superior susține

mâna robotului respectiv dispozitivul de prehensiune sau sculă sau gripper.

Se urmărește ca structura mecanică să asigure:• O mobilitate cât mai mare (determinat de antropomorfism) - antropomorfismul se

definește ca fiind asemănarea dintre caracteristicile brațului robotic și brațul omului.• Greutate cât mai mică.• Suplețe.• Randament energetic ridicat.

Elemente constructive

Elementele constructive ale unui robot industrial

Încheietura mâinii

Antebraţul

Axa cotului

Braţul

Umărul

Axa umărului Talia

Elemente de fixare a roboților industriali

Fixarea rigidă la podea

Fixarea rigidă în consolă

Configuraţie mobilă

Elemente de cinematică• Roboții de manipulare sunt alcătuiți din legături mecanice conectate între

ele prin articulaţii, formând astfel un lanț cinematic deschis. • Articulațiile pot fi de rotaţie sau de translaţie. Numărul de articulații

determină gradele de libertate ale unui manipulator. • În mod tipic, un robot de manipulare trebuie să aibă cel puțin șase grade

de libertate independente: trei pentru poziţionare și trei pentru orientare.

Exemple de cuple cinematice

Configurații ale brațelor și încheieturii

Punct caracteristic. Dreaptă caracteristică

• Punctul obiectului manipulat, arbitrar ales, utilizat la stabilirea legilor de distribuție a vitezelor și accelerațiilor, în scopul mișcării generale spațiale a corpului prins în dispozitivul de prehensiune se numește punct caracteristic.

• O dreaptă care aparține obiectului manipulat și trece prin punctul caracteristic, folosită pentru descrierea mișcării, poartă denumirea de dreaptă caracteristică.

Punct caracteristic. Dreaptă caracteristică

• Punctul caracteristic este un punct virtual ales de proiectant pentru studiul mișcării mecanismului generator de traiectorie.

• Acest punct se alege pe axa longitudinală a ultimului element al lanțului cinematic la încheietura mâinii pe sculă.

Punctul caracteristic

• Punctul caracteristic poate fi poziţionat în interiorul spaţiului de lucru al robotului industrial într-unul din următoarele sisteme de coordonate:

– sistem de coordonate cartezian – sistem de coordonate cilindric – sistem de coordonate sferic – sistem de coordonate unghiular

Robot în sistem de coordonate cartezian

Robot în sistem de coordonate cilindrice

Punctul caracteristic

Robot în sistem de coordonate sferice

Robot în sistem de coordonate unghiulare

Mecanisme generatoare de traiectorie. Mecanisme de orientare• Partea lanţului cinematic de ghidare care realizează modificarea

poziţiei punctului caracteristic reprezintă mecanismul generator de traiectorie.

• În principiu acesta trebuie să aibă gradul de mobilitate 3, realizând modificarea celor 3 coordonate carteziene ale punctului caracteristic.

• Acea parte a dispozitivului de ghidare care serveşte la orientarea dreptei caracteristice d1, după o succesiune de direcţii impuse, se numeşte mecanism de orientare.

• Mecanismul de orientare în principiu are tot 3 grade de mobilitate.

Roboti industriali. Clasificare în funcție de mecanismul generator de traiectorie• Roboţi industriali tip “braţ articulat” • Robotul industrial tip „braț articulat” are ca mecanism generator de

traiectorie un lanț cinematic deschis compus din cuple cinematice de rotație.

• Acești roboți au o mare suplețe care permite accesul în orice punct al spațiului de lucru.

• Dezavantajul său principal îl constituie rigiditatea sa redusă.

Roboţi cu braţ articulat

ESAB (Suedia) Unimation (SUA)

Cincinnati Millacrom (SUA)

• Roboţi industriali de tip “lanţ închis“• Mecanismul generator de traiectorie al acestui robot este un lanț

cinematic închis, de tip patrulater articulat. • Cuplele cinematice care intră în componența robotului sunt cuple de

rotație. • Datorită construcției, ei au un spațiu de lucru considerabil mărit față de

roboții de tip braț articulat. Având în vedere rigiditatea lor ridicată ei manipulează sarcini mari.

• Principalul lor dezavantaj constă în construcția relativ complicată.

Trallfa (Norvegia) K15 (Germania)

• Roboţi industriali de tip “pistol” • Acest tip de robot industrial este constituit dintr-un corp central ce poartă

numele de braț, asemănător unei țevi de pistol, care-și poate modifica direcția și lungimea.

• Construcția lor este simplă iar spațiul lor de lucru este relativ mic. • Se utilizează în special la manipularea unor mase reduse. • Din punct de vedere structural sunt roboți de tip TRT.

MHU Senior (Suedia) Schema cinematică

• Roboţi tip “turelă“• Roboții industriali de tip turelă au o arhitectură asemănătoare roboților de

tip pistol. • Caracteristic pentru acest tip de robot este faptul că între corpul central și

braț, având construcția și mișcările similare cu cele ale subansablului similar de la tipul pistol, se interpune un subansamblu de tip turelă, care permite o rotație suplimentară în jurul unei axe care se gãsește într-un plan orizontal.

• Robustețea și suplețea acestui tip de roboți este superioară celor de tip pistol.

• Roboții de tip turelă sunt utilizați în aproape orice tip de aplicație având din acest punct de vedere un caracter universal.

• Din punct de vedere structural sunt roboți de tip RRT.

• Roboţi de tip “coloan㔕 Acest tip de robot are un braț care poate efectua o translație, este purtat

de o coloană verticală care se poate roti permițând în același timp și o translație pe verticală.

• Roboții de tip coloană au o construcție simplă, sunt robuști și au o bună dexteritate.

• Sunt mai puțin suplii decât cei de tip pistol și turelă.

• Roboţi tip “cadru” • Acest tip de roboți au o rigiditate deosebită, coloana de la tipul precedent

fiind înlocuită cu un cadru. În rest ei au structura roboților de tip coloană.

• Roboţi de tip “portal “• În cazul în care este necesară manipularea unor piese grele într-un spațiu

de dimensiuni mari se utilizează robotul tip portal. Acest tip se întâlnește frecvent în industria de automobile. Din punct de vedere structural ei aparțin tipului TTT.

• Roboţi de tip “cărucior”• În vederea măririi spațiului de lucru, roboții se montează pe cărucioare

care se pot deplasa liber pe șine.

Roboți SCARA

• Roboții SCARA au fost realizați pentru prima dată la Universitatea YAMANASHI din Japonia.

• Inițialele „SCARA” provin de la: ‚,Sellective Compliant Articulated Robot Arm’’.

• Avantaj - manipularea obiectelor cu greutate mai mare de 30 kg.

Robotul tip SCARA (TRR)

Robot RS20 SCARA

Robot RS60 SCARA

Roboți PUMA

PUMA 560 – 6 DOF

Sistemul mecanic al robotului industrial RV-M1

• Robotul industrial RV-M1, în varianta de bază, are 5 cuple cinematice de rotație (J1, J2, J3, J4, J5) care sunt acționate cu servomotoare de curent continuu.

• Aceste servomotoare sunt echipate cu traductoare de poziție a rotorului.

• Cu ajutorul acestor traductoare se poate realiza controlul poziției robotului pe baza unghiurilor formate de articulații.

Sistemul mecanic al robotului industrial RV-M1

• Pe lângă cele 5 grade de mobilitate acesta are atașată o axă suplimentară, numită Slide (ghidaj), folosită pentru deplasarea robotului de-a lungul axei Y în sistemul de coordonate cartezian.

• Deplasarea robotului pe Slide este realizată cu ajutorul unui servomotor de curent continuu prevăzut cu un traductor de poziție.

• Senzorii de proximitate LS1 și LS2 sunt utilizați• pentru sincronizarea inițială a mișcării (LS1), respectiv ca limitatoare de

cursă.

Proiectarea sistemului mecanic

• Configurarea lanțului cinematic, calculul forțelor și momentelor.• Configurarea sistemului de acționare, a traiectoriei sistemului, etc. • Construcția efectivă a structurii mecanice.• Amplasarea sistemului senzorial pasiv.

Etape impuse la proiectarea sistemului mecanic

• Analiza configurațiilor dezvoltate de către competitori și identificarea posibilelor breșe pentru facilitarea dezvoltării de noi configurații.

• Studii de piață și identificarea cerințelor/celor mai importanți parametrii ai procesului tehnologic.

• Identificarea și individualizarea parametrilor de performanță ai sistemului. Elaborarea unui grafic de derulare în timp.

• Elaborarea desenelor de ansamblu/subansamblu. • Combinarea și armonizarea componentelor proiectate. Estimarea costurilor

pentru variantele alternative.• Emiterea comenzilor componentelor care implică timpi mai mari de fabricare și

paralel cu aceasta testarea noilor componente introduse în configurația nouă.• Testarea performanțelor noului sistem și corecția erorilor.• Elaborarea documentației.• Lansarea în fabricație.

Sistemul mecanicPuncte slabe Sistemul Măsuri corective Metoda de calcul

Deformarea întregii structuri sau a unui element

•reducere greutate•mărire rigiditate

FEM

Dilatare termică •îndepărtare/izolare sursă de căldură

FEM

Frecare •înlocuire rulmenți•adăugare lubrefianți

experiența utilizator

Deformare sub acțiunea solicitărilor dinamice

•mărire rigiditate•diminuarea masei elementelor în mișcare•distribuția maselor

metode de corecție pe bază de frecvență/timp