Cap 8 - Roboti Industriali

Roboţi industriali

8

8.1

53

Roboţi industriali

Introducere

In capitolele anterioare s-au utilizat noţiunile de roboţi industriali de prelucrare şi de manipulare, respectiv noţiunea de roboţi pentru prestări de servicii. In cele ce urmează se vor prezenta asemănările şi deosebirile dintre diferite categorii de roboţi, particularizări ce au condus la diverse denumiri ale roboţilor dependent de domeniul lor de aplicare, sau in cadrul aceluiaşi domeniu, ca de exemplu în cazul roboţilor industriali, dependent de aplicaţia în care sunt utilizaţi. 8.2

Sistemul mecanic al roboţilor

Sistemul mecanic al robotului are rolul să asigure realizarea mişcărilor acestuia şi transmiterea energiei mecanice necesare interacţiunii cu mediul. Subsistemul din cadrul sistemului mecanic dedicat acestei interacţiuni este efectorul final. Structura sistemului mecanic al unui robot este prezentată în Fig. 8.1. SISTEM MECANIC

DISPOZITIV DE GHIDARE

PLATFORMĂ MOBILĂ

MECANISM GENERATOR DE TRAIECTORIE

MECANISM DE ORIENTARE

EFECTOR FINAL

DISPOZITIV DE PREHENSIUNE SAU SCULĂ

Fig. 8.1 Structura sistemului mecanic al robotului Dispozitivul de ghidare are rolul de a conferi efectorului final mişcările şi energia mecanică aferentă acestor mişcări în conformitate cu acţiunea necesitată asupra mediului. Acţiunea robotului asupra mediului este ori una de manipulare a unor obiecte sau una de prelucrare a acestora. Efectorul final al robotului care manipulează obiecte se numeşte dispozitiv de prehensiune. Funcţia lui este aceea de a solidariza obiectul cu partea sa de bază, asigurând obiectului faţă de aceasta o situare relativă bine determinată, menţinută în timp (deobicei prin strângere). Manipularea obiectului se realizează prin modificarea situării bazei efectorului final, cu care obiectul este solidarizat. În acest scop, baza efectorului final este solidarizată cu un element al dispozitivului de ghidare. Dispozitivele de ghidare pot fi cu topologie serială, paralelă sau mixtă. În anumite variante de construcţie a dispozitivului de ghidare a roboţilor, (variantele cu topologie serială) un mecanism component al acestuia, denumit mecanism generator de traiectorie, realizează modificarea poziţiei obiectului, iar altul, denumit mecanism de orientare, efectuează orientarea obiectului manipulat. Uneori, mecanismul generator de traiectorie este denumit "braţ" al robotului, iar mecanismul de orientare, "articulaţie carpiană", sau "mecanismul carpian" ("wrist") al robotului, ţinând seama de rolul lor funcţional prin analogie cu funcţiunile similare ale braţului, respectiv ale articulaţiei pumnului. În alte variante constructive nu se pot separa funcţiile de poziţionare, respectiv de orientare pe părţi componente ale dispozitivului de ghidare. În asemenea cazuri se vorbeşte despre "microsituarea" realizată de dispozitivul de ghidare.

Roboţi industriali

54

Efectorul final al robotului care prelucrează obiecte este o sculă. Energia necesară pentru prelucrare poate fi comunicată sculei exclusiv prin intermediul robotului sau prin intermediul robotului şi a unei surse suplimentare de energie. În acest ultim caz efectorul final este un cap de forţă cu sculă. Capul de forţă conţine un motor şi eventual o transmisie mecanică. În cazul utilizării robotului pentru prelucrare, scula, respectiv capul de forţă cu sculă constituie "obiectul manipulat", a cărui situare se defineşte în modul arătat mai sus. În unele lucrări de specialitate sistemul mecanic al robotului este denumit "manipulator". Platforma mobilă este acea parte componentă a sistemului mecanic care asigură modificarea situării întregului ansamblu în mediu. În cazul în care robotul nu este înzestrat cu platformă mobilă, el este robot staţionar, pe când cel al cărui sistem mecanic conţine o asemenea platformă, poartă numele de robot mobil. 8.2.1

Dispozitive de ghidare cu topologie serială

În cazul în care mecanismele dispozitivului de ghidare au la bază lanţuri cinematice deschise, dispozitivul este definit ca fiind de topologie serială (în lanţurile cinematice deschise elementele sunt legate “în serie”). În cazul dispozitivelor de ghidare cu topologie serială (Fig. 8.2) mecanismele generatoare de traiectorie şi de orientare sunt definite separat: mecanismul generator de traiectorie are un element fix (batiul robotului), iar mecanismul de orientare este legat de ultimul element al mecanismului generator de traiectorie. Funcţia de a modifica situarea obiectului manipulat, dintr-o situare iniţială oarecare în alta finală oarecare, impune dispozitivului de ghidare să aibă numărul gradelor de mobilitate M egal cu numărul gradelor de libertate L0 al obiectului liber în spaţiu, adică:

n-1 V

3

n

EFECTOR FINAL

V

2

1 V

BATIU

Fig. 8.2 Schema structurală a dispozitivului de ghidare cu topologie serială M = L0 = 6

(8.1)

În cazul unui mecanism spaţial M este dat de relaţia: 5

M = 6 ( n − 1) − ∑ i c i − ∑ L id − ∑ L p

(8.2)

i =1

unde n - numărul de elemente, ci - numărul cuplelor cinematice de clasa i, ∑ Lid - suma gradelor de libertate de prisos, ∑ Lp - suma gradelor de libertate pasive. În cazul lanţurilor cinematice deschise ∑ Lp = 0 şi uzual mecanismele dispozitivului de ghidare au ∑ Lid = 0. Ţinând cont de faptul că în cadrul dispozitivelor de ghidare se folosesc cuple cinematice cu i = 5 şi că pentru lanţuri cinematice deschise n = c5 + 1, relaţia (8.2) devine condiţia de desmodromie a dispozitivelor de ghidare cu topologie serială, adică toate cuplelor cinematice să fie conducătoare, în număr de c5c: M = c5c = n – 1 = 6

(8.3)

Roboţi industriali

55

Situarea (poziţionare şi orientarea) unui obiect în spaţiul tridimensional este definită cu ajutorul poziţiei punctului caracteristic şi orientării dreptei caracteristice, respectiv a dreptei auxiliare. Punctul caracteristic este un punct al obiectului, folosit pentru definirea poziţiei acestuia. Dreapta caracteristică este o dreaptă care trece prin punctul caracteristic, iar dreapta auxiliară este o dreaptă perpendiculară în punctul

Z Dreaptă caracteristică

Dreaptă auxiliară O

X

Y Punct caracteristic

caracteristic pe dreapta caracteristică ambele aparţinând obiectului. Punctul caracteristic este originea, iar dreptele caracteristică şi auxiliară sunt axe ale unui sistem de referinţă cartezian drept legat de obiect (Fig.8.3.). Modificarea poziţiei punctului caracteristic este realizată de mecanismul generator de traiectorie, iar orientarea dreptei caracteristice, respectiv auxiliare este realizată de mecanismul de orientare. Fig.8.3 Definirea situării unui obiect cilindric In figura 8.4 sunt prezentate câteva exemple de roboţi având dispozitivul de ghidare cu topologie serială. In figura 8.4.a se prezintă un robot cartezian tip IRB 8400/ZP-2, produs de firma ABB Ltd.–Elvetia, generator al unui spaţiu de lucru plan, iar în figura 8.4.b tot un robot cartezian tip IRB 8400/FP-3 produs de aceaşi firma, având trei cuple cinematice prismatice conducătoare, cu axele paralele cu axele unui sistem de coordonate cartezian. În figura 8.4.c se prezintă un robot in coordonate cilindrice tip R33 produs de SEIKO Instrumments–Japonia, iar în figura 8.4.d un robot în coordonate sferice şi anume robotul tip L 1000 produs de firma Fanuc Ltd.-Japonia. Robotul SCARA tip Cobra 800 produs de firma ADEPT Technology SUA, este presentat in figura 8.4e. În următoarele două figuri se prezintă două variante constructive de roboţi articulaţi. Astfel figura 8.4f prezintă robotul tip kr-150 al firmei KUKA Roboter-Germania şi figura 8.4g robotul zzx165u-2 produs de firma Kawasaki Heavy Industries Ltd.-Japonia.

56

Roboţi industriali

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

Fig.8.4 Roboţi cu dispozitive de ghidare cu topologie serială: a) robot portal simplu, ABB Ltd; b) robot portal dublu, ABB Ltd; c) robot cilindric, SEIKO Instruments; d) robot sferic, Fanuc Ltd; e) robot SCARA, Adept Technology; f) robot articulat, KUKA Roboter; g) robot articulat, Kawasaki Heavy Industries [WOR 03].

8.2.2

Dispozitive de ghidare cu topologie paralelă

Mecanismul dispozitivului de ghidare poate avea la bază şi un lanţ cinematic închis, policontur. Asemenea dispozitive de ghidare se definesc ca având topologie paralelă. Denumirea provine însăşi din structura lor: ele conţin două elemente denumite platforme - una fixă şi una mobilă - care sunt legate între ele printr-un număr de lanţuri cinematice deschise, denumite "conexiuni" [KOV 76.

Roboţi industriali

C

57

G

F

E A

D B Fig. 8.5 Platforma Stewart

In anul 1965 Stewart a propus o structură mecanică, cunoscută în literatura de specialitate sub denumirea de platforma lui Stewart [STE 65] (Fig. 8.5), care a constituit primul pas spre actualele structuri mecanice de roboţi paraleli. In această structură elementul mobil este o platformă triunghiulară, având vârfurile articulate printr-o articulaţie sferică, G, la un mecanism acţionat de două motoare hidraulice liniare, D şi F. Fiecare din cele două motoare hidraulice liniare are o extremitate legată, prin câte o cuplă de rotaţie, B şi C, de un element vertical, ce se poate roti în jurul unei axe verticale, prin cupla de rotaţie A. Cealaltă extremitate a motorului liniar F este legată direct la articulaţia sferică, G, a platformei mobile, iar extremitatea celui de al doilea motor liniar D este articulată printr-o cuplă de rotaţie, E, de corpul omologului său. Acest mecanism se constituie într-un lanţ cinematic închis, acţionat de 6 motoare liniare, ceea ce permite controlul celor 6 grade de libertate ale platformei mobile. Se constată imediat interesul pe care îl reprezintă această structură, prin prisma raportului sarcină utilă /masa robotului. Intru–cât platforma mobilă are o poziţie centrală, mecanismul motor va suporta aproximativ o treime din masa mobilă. Comparativ cu un robot serie solicitările de încovoiere ale mecanismelor motoare sunt mai reduse, datorită faptului că articulaţiile existente impun solicitări de tracţiune /compresiune. In consecinţă aceşti doi factori au ca efect reducerea masei structurii mobile, ceea ce permite reducerea lungimii segmentelor şi a puterii motoarelor. Utilizarea motoarelor hidraulice liniare prezintă interes deoarece permite folosirea elementelor standard, alese din producţia curentă a firmelor specializate, care posedă foarte bune caracteristici de masă, de viteză şi de acceleraţie la curse mari. Pe de altă parte roboţilor paraleli au o mai bună precizie de situare şi asigură a reducere a erorilor, în raport cu roboţii serie. Faţă de aplicaţiile dezvoltate cu ajutorul roboţilor serie, pretenţiile faţă de roboţii paraleli aplicaţi în domeniul industrial sunt diferite. Astfel în cazul montajului automat se solicită o precizie de situare ridicată. De asemenea se solicită un răspuns dinamic prompt, fiind cunoscută reacţia lentă a roboţilor serie la operaţii ce necesită o reacţie rapidă, cum ar fi cazul operaţiilor de debavurare, polizare sau lustruire. În conformitate cu [KOV 76], desmodromia unui mecanism sintetizat din punct de vedere structural folosind conexiunile, este asigurată dacă:

c 5c = p = M = 6 ⋅ ( n − 1) − ∑ L c

(8.4)

unde n este numărul elementelor legate între ele prin conexiuni având suma gradelor de libertate ΣLc iar p este numărul de parametri cinematici impuşi mecanismului de sursele de energie mecanică exterioare, câte

Roboţi industriali

58

una de fiecare cuplă cinematică conducătoare c5c. În cazul DGTP, elementele în cauză sunt în număr de n = 2, ele fiind cele două platforme. Numărul gradelor de libertate ale unei conexiuni este dat - în cazul includerii lor în mecanisme spaţiale de relaţia:

L c = 6 ⋅ n c − ∑ i ⋅ c ic − ∑ L id − ∑ L p

(8.5)

PM6

PF6

Fig. 8.6 Schema cinematică a platformei Stewart tip "SSM" [MER 90] unde nc este numărul de elemente conţinute în conexiune, c ic este numărul cuplelor cinematice de clasa i conţinute în conexiuni, ΣLid - suma gradelor de libertate de prisos şi ΣLp - suma gradelor de libertate pasive introduse de conexiunea în cauză. În mod obişnuit, în structura dispozitivelor de ghidare cu topologie paralelă se folosesc conexiuni de tip A, B şi C, având cuple cinematice de clasa V-a (rotaţii R şi translaţii T), de clasa IV-a (cilindrice C) şi de clasa III-a (sferice S sau cardanice H0) ca în figura 8.6.

În figura 8.7.a se prezintă un robot paralel tipTricept HP 1 produs de firma COMAU–Italia, iar în figura 8.7.b un robot paralel IRB 940 produs de firma ABB Ltd.–Elvetia.

Roboţi industriali

a)

59

b) Fig.8.7 Roboţi cu dispozitive de ghidare cu topologie paralelă: a) robot paralel, COMAU; b) robot paralel, ABB.

8.2.3

Dispozitive de ghidare cu topologie mixtă

Dispozitivele de ghidare cu topologie mixtă constau din "etaje" formate din mecanisme cu topologie paralelă desmodrome legate în serie. Pe această cale se constituie ca şi "lanţuri" simple sau ramificate. Legătura dintre etajele "i" şi "i+1" se realizează prin intermediul unei platforme comune, care este "platformă mobilă" pentru etajul "i" şi platformă fixă" (în sens relativ) pentru etajul "i+1". În cazul în care o anumită platformă care intră în componenţa cuplelor cinematice conducătoare ale unui etaj "i" este fix în i

i+1

PMi

PMIi+ 1 Li + 1

Mi

PFi + 1

PFi a)

b)

Fig. 8.8 Simboalele etajelor „i” şi „i+1” raport cu sistemul de referinţă legat de baza robotului, se vorbeşte despre numărul gradelor de mobilitate M i al etajului. În celelalte cazuri, se vorbeşte despre numărul gradelor de libertate L i+1 al modulului "i+1" (Fig. 8.8). Numărul gradelor de mobilitate al unui dispozitiv de ghidare cu topologie mixtă se calculează prin însumarea numerelor gradelor de mobilitate şi de libertate ale etajelor componente: i=n

j= m

i =1

j =1

M = ∑ Mi + ∑ L j

(8.6)

unde n este numărul etajelor de tipul simbolizat în Fig. 8.8-a, iar m - numărul etajelor de tipul simbolizat în Fig. 8.8-b. În Fig. 8.9 se prezintă fotografia sistemului mecanic al robotului LOGABEX LX4, având dispozitivul de ghidare cu topologie mixtă.

60

Roboţi industriali

Fig. 8.9 Robotul LOGABEX LX4