Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieCUPRINSIntroducere ...................................................................................................................... 2Capitolul 1.Roboii industriali aspecte cinematicei organologice ............................................. 91.1. Roboii n coordonate cilindrice.................................................................................. 201.2. Roboi de tip SCARA ................................................................................................. 241.3. Alte tipuri de roboi .................................................................................................... 25Capitolul 2.Sisteme de conducere a roboilor ................................................................................... 302.1. Sisteme de conducere a roboilor pe baz de echipamente numerice.......................... 332.1.1. Sistemul de interfa automat robot............................................................. 362.1.2. Automate programabile cu operare scalar .................................................... 402.1.3. Automate programabile cu operare vectorial................................................ 442.2. Sisteme de conducere a roboilor pe baz de controlere logice programabile............ 472.2.1. Instruciuni i programarea grafic a CLP...................................................... 492.2.2. Organigrame de stri i Grafcet ..................................................................... 502.2.3. Implementarea algoritmilor de reglare............................................................ 532.3. Sisteme de conducere a roboilor pe baz de microcontrolere.................................... 552.3.1. Elemente de baz ale microcontrolelor........................................................... 572.3.2. Structuri robotice comandate cu microcontrolere........................................... 62Capitolul 3.Studiul unui robot TRR................................................................................................... 663.1 Structura mecanica si organologica.............................................................................. 663.2 Structura cinematic....................................................................................................... 693.3 Actionarea Robotilor Industriali................................................................................... 743.4 Comanda Robotilor Industriali..................................................................................... 843.5 Aplicatii ale robotilor.................................................................................................... 883.5.1. Aplicatii industriale ale robotilor.................................................................... 893.5.2 Aplicatii neindustriale ale robotilor.................................................................. 90Concluzii finale................................................................................................................. 92Bibliografie........................................................................................................................ 93Anexe................................................................................................................................. 941Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieIntroducereRobotul este un sistem compus din mai multe elemente: mecanic, senzori i actori precum i un mecanism de direcionare. Mecanica stabilete nfiarea robotuluii micrileposibilepetimpdefuncionare. Senzoriii actoriisunt ntrebuinai la interacia cu mediul sistemului. Mecanismul de direcionare are grij ca robotul s-i ndeplineasc obiectivul cu succes, evalund de exemplu informaiile senzorilor. Acest mecanism regleaz motoarele i planific micrile care trebuiesc efectuate.Termenul robot (din ceh robot) afost utilizat de Josef apek i Karel apek n lucrrile lor de science fiction la nceputul secolului 20. Cuvntul robot este de origine slav i se poate traduce prin: munc, clac sau munc silnic. Karel apek a descris n piesa sa R.U.R. din anul 1921 muncitori de asemnare uman, care sunt crescui n rezervoare. apek folosete n lucrareasamotiveleclasicede golem. Denumireadeastzi acreaturilor lui apekestede android. nainteaapariiei termenului derobot s-auutilizat de expemplu n uzinele lui Stanisaw Lem termenii automat i semiautomat.Primele modele de maini pot fi mai degrab numite automate (provenind din grecesculautomatos, care nseamn se mic singur). Acestea nu puteau executa dect cte un singur obiectiv, fiind constrnse de construcie.Matematicianul grec Archytas a construit, conformunor relatri, unul dintre aceste prime automate: un porumbel propulsat cu vapori, care putea zbura singur. Acest porumbel din lemn era umplut cu aer sub presiune. Acesta avea un ventil care permitea deschiderea i nchiderea printr-o contragreutate. Au urmat multe modele dealungul secolelor. Unele nlesneau munca iar altele deserveau la amuzamentul oamenilor.Odat cu descoperirea ceasului mecanic din secolul XIV s-a deschis calea unor posibiliti noi i complexe. Nu mult dup aceea au aprut primele maini, care semnau ndeprtat cu roboii de azi. Posibil era ns numai ca micrile s urmeze una dup alta, fr s fie nevoie de intervenia manual n acel sistem.Dezvoltarea electrotehnicii din secolul XX a adus cu sine i o dezvoltare a robotici. Printre primii roboi mobili se numr sistemul Elmer i Elsie construit de William Grey Walter n anul 1948. Aceste triciclete se puteau ndrepta spre o surs de lumin i puteau s recunoasc coliziuni n mprejurimi.Anul 1956 este consideratcaanul naterii arobotuluiindustrial. George Devol a depus candidatura n acest an n SUA pentru un patent pentru "transferul programat de articole". Civa ani dup aceea a construit mpreun cu Joseph Engelberger UNIMATE (fig.1). 2Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieAcest robot de cca. dou tone a fost mai nti introdus n montarea de iconoscoape pentru televizoare, gsindu-i apoi drumul n industria automobil. Programele pentru acest robot au fost salvate sub form de comenzi direcionate pentru motoare pe un cilindru magnetic. Din acest moment seintroducroboi industriali ca UNIMATEnmulte domenii ale produciei fiindpermanent dezvoltai mai departe pentru a putea face fa cererilor complexe care li se impun.Roboii sunt realizai de regul, prin combinaia dintre disciplinele: mecanic, electrotehnic i informatic. ntre timp s-a creat din legturaacestoramecatronica. Pentrurealizareadesistemeautonome(adic sisteme care s gseasc singure soluii) este necesar legtura a ct mai multor discipline de robotic. Aici se pune accent pe legtura conceptelor de inteligen artificial sau neuroinformatic precumi idealul lor biologic (biocibernetic). Din legtura ntre biologie i tehnic s-a dezvoltat bionica.Cele mai importante componente ale roboilor sunt senzorii, care permit mobilitatea acestora n mediu i o dirijare ct mai precis. Un robot nu trebuie neapratspoatsacionezeautonom, faptpentrucaresedistingentreun robot autonom i unul teleghidat.Termenul de robot descrieundomeniudestul devast, cauzdincare roboii sunt sortai n multe categorii. Iat cteva din acestea: Robot autonom mobil Robot umanoid Robot industrial Robot de servicii Robot jucrie Robot explorator Robot pitor BEAM Robot militar GeorgeDevol anregistrat nanul 1954 primul patent pentruun robot industrial. Roboii industriali din prezent nu sunt de obicei mobili. Dup forma i funcia lor, domeniul lor operaional este restrns. Ei au fost introdui pentru prima oar pe linia de producia a General Motors n 1961. Roboii industriali au Fig. 1- Robotul UNIMATE3Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaiefost folosii prima dat n Germania la lucrri de sudur ncepnd din 1970 (fig. 2). Fig. 2 Model de sudare robotizat a caroseriei automobilelorPrintre roboii industriali se numr i roboii de portale, care sunt introdui n producia de wafere, n instalaii de turnat colofoniu sau la msurri. n prezent roboii industriali execut i probleme de maniabilitate.Roboii exploratori sunt roboi care opereaz n locaii greu accesibile i periculoase teleghidai sau parial autonom. Acetia pot lucra de exemplu ntr-o regiune aflat n conflict militar, pe Lun sau Marte. O navigare teleghidat de pe pmnt n ultimele dou cazuri este imposibil din cauza distanei. Semnalele de comunicatie ajung la destinatie in cateva ore, iar receptionarea lor dureaza la fel de mult. n astfel de situaii roboii trebuie s fie programai cu mai multe tipuri de comportare, din care ei s aleag pe cel mai adecvat i s-l execute. n parteneriat cu General Motors, NASA Robonaut2 este cel mai recent exemplu c un robot dotat cu aplicaiile software potrivite i cu nenumrai senzori poate iei n spaiu i se poate ocupa spre exemplu de mentenana staiilor spaiale.Acest tip de robot dotat cu senzori a fost folosit i la cercetarea puurilor din piramide. Mai mulicryoboi( fig. 3 ) au fost deja testai de NASA n Antarctica. Acest tip de robot poate ptrunde pn la 3.600 de m prin ghea. Cryoboi pot fi astfel folosii n cercetarea capelor polare pe Marte i Europa n sperana descoperirii de via extraterestr.4Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieFig. 3 - Cryorobot Fig. 4 Robot al poliiei israeliene la examinarea unui obiect suspectRobotii utilizai ndomeniul militar semai numesci uniti mobile. Aceste unitati pot depista i dezamorsa sau distruge bombe sau mine (de exemplurobotul TALONfig. 4). Existi roboi careajutlacutareade oameni ngropai dup cutremure.Imaginea roboilor umanoizi a luat form n literatur, mai ales n romanelelui IsaacAsimov nanii 1940. Aceti roboi aufost pentruolung perioaddetimpirealizabili. Pentrurealizarealor trebuiescrezolvatemulte probleme importante. Ei trebuie s acioneze i s reacioneze autonomn mediu, mobilitatealor fiindrestrnslaceledoupicioarecalocomoie. Pe deasupra mai trebuie s fie capabili de a lucra cu braele i minile. Din anul 2000 probleme de baz par s fie rezolvate (cu apariia lui ASIMO (Honda) fig.5). ntre timp apar dezvoltri noi n acest domeniu. Roboii umanoizi pot fi clasificai ca roboi pitori.Dupunavnt substanial al aplicaiilor roboticii n domeniul industrial, cu precdere n industria automobilelor, la nceputul anilor '90 s-au conturat multiple aplicaii n domeniile neindustriale (nemanufacturiere). Statisticile privindtipurilederoboiaratsugestivcreteri importante ale numrului roboilor care rspund unor aplicaii neindustriale. Aceast dezvoltare, chiar spectaculoas, n direcia aplicaiilor neindustriale justific trecerea n revist n rndurile de mai jos a principalelor subdomenii n care roboii nemanufacturieri sau roboii de serviciu i pot gsi aplicabilitate.Fig. 5 Robotul umanoid ASIMO5Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaiePentru a sugera aplicaii concrete n aceste subdomenii, aplicaii abordabile n colective interdisciplinare de ingineri, sunt precizate mai departe direciile care pot fi avute n vedere.nmedicin:sistemerobotizatepentrudiagnozaprinecografie, sisteme robotizate pentru intervenii neurochirurgicale; telemanipulatoare pentru chirurgie laporoscopic; vehicule ghidate automat pentru transportul bolnavilor imobilizai la pat; vehicule ghidate automat pentru transportul medicamentelor, alimentelor, buturilor i lenjeriei de schimb; vehicule ghidate automat pentru activiti de curenie i dezinsecie n spitale; sisteme robotizate pentru pregtirea prin simulare, nainte de operaie a unor intervenii chirurgicale etc.Ca i utilizare n medicin, de exemplu, un robot umanoid, numit Nao, a fost folosit, n luna mai 2011, pentru copiii care sufer de autism, n cadrul unui proiect derulat de Catedra de Psihologie Clinic i Psihoterapie a Universitii "Babes-Bolyai" din Cluj-Napoca, n parteneriat cu Centrul de Autism Transilvania. Nao a fost dezvoltat de compania francez Aldebaran Robotics ncepand cuanul 2005. Robotul areformumanoid, areonaltimedeaproape60de centimetri i cntrete 4,3 kilograme (fig.6).Fig. 6 Robotul umanoid NAO Fig. 7 Robot farmacistUCSF Medical Centel a lansat recent un concept de farmacie operat doar de roboi. Comanda pentru medicamente este dat de farmacist, iar roboii iau medicamentele din raft, le ambaleaz i le livreaz clienilor. Pn acum, sistemul a pregatit fr eroare 350.000 de reete, doznd perfect medicamentele (fig. 7).6Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaiePentrureabilitaresepotidentificaurmtoareleaplicaii:scauncurotile pliant, imbarcabil nautoturisme; manipulator pentrudeservirea persoanelor paralizate, vehicul pentru conducerea nevztorilor etc.n construcii: vehicul ghidat automat pentru asfaltarea oselelor, sistem robotizat pentru stropirea betonului n construcia tunelurilor; robot mobil pentru cofraje glisante; excavatoare autonome, sistem robotizat pentru compactarea i nivelarea suprafeelor turnate dinbeton; sistemrobotizat pentruinspectarea faadelor cldirilor; sistemrobotizat pentru montarea/demontarea schelelor metalice etc.nadministraialocal: vehicul autonompentrucurireazpezii depe autostrzi; vehicul autonompentru meninerea cureniei pe strzi; sistem robotizat pentru inspecia i ntreinerea automat a canalelor etc. Mijloacele de transport public ar putea fi conduse n viitor de roboi.Googlelucreaz deja la conceptul de maina completautomatizat, iartesteaufost dejafcute. apte maini au fost deja conduse de roboi pe distane destul de lungi, cu o intervenie uman minim.Avocai:nlocsplteascoarmatdeavocai, ocompanievaputea apelapeviitor laroboi dotai cuaplicaii softwarespecialecarevor putea gestiona documentele ntr-un timp mult mai scurt. Blackstone Discovery, o companie din Palo Alto, California, a lansat deja o aplicaie software n acest sens, scutind timp i mai ales resurse financiare.Pentruprotejarea mediului nconjurtor: sistemrobotizat de sortare a gunoiului n vederea reciclrii, sistemautomat de inspectare, curare i recondiionareacourilor defumnalte; platformeautonomemobilepentru decontaminarea persoanelor, cldirilor, strzilor; vehicul ghidat automat pentru decontaminarea solului etc.nagricultur, dintre aplicaiile posibile amintim: sistemrobotizat de plantare a rsadurilor; sistem robotizat de culegere a fructelor; sistem robotizat de culegere a florilor; sistem robotizat de tundere a oilor etc.n comer, transporturi, circulaie: vehicule ghidate automat pentru ntreinerea cureniei pe suprafee mari (peroane de gri, autogri i aerogri); sistem robotizat de curire automata a fuselajului i aripilor avioanelor; sistem automatizat de alimentare cu combustibil a autovehiculelor etc.Hotelurile i restaurantele pot fi prevzute cu: sisteme robotizate pentru pregtirea automat a slilor de restaurant, de conferine; sistem de manipulare automataveselei; minibar mobil pentrutransportul buturilor, ziarelor etc.7Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaiePentru siguran i paz: robot mobil de paz pe timpul nopii n muzee; robot mobil pentru paza cldirilor i antierelor; vehicul autonom pentru stingerea incendiilor; sistem robotizat pentru intervenii n spaii periculoase etc. Spre deosebire de oameni, roboii ar putea ajunge mai uor n locuri puinaccesibilencazul unor dezastre naturale cu scopul de a salva victimele. Oameni detiinprecum Satoshi Tadokoro de laTohoku Universitys-au oferit deja s mprumute roboi pentru misiunile de salvare dinJaponia. Specialistul are un robot n form de arpe care poate intra n spaii nguste i s vad dac sunt sau nu victime prinse sub drmturi, prin intermediul unei camere de luat vederi (fig. 8).Statisticilespuncpeste1,2milioanederoboiindustrialivorlucran urmtorii doi ani n lume, nlocuind anumite locuri de munc ocupate anterior de oameni.Participarea supercomputerului Watson la concursul Jeopardy a fost doar un exemplu c prin intermediul tehnologiei tot mai avansate, roboii ncep s fie mai inteligeni dect oamenii, putnd s-i nlocuiasc n anumite activiti.Pn n 2013, se preconizeaz ca n lume vor exista 1,2 de milioane de roboi industriali activi, cte unul la fiecare 5.000 de oameni, potrivit lui Marshall Brain, fondatorul How Stuff Works i autorul Robotic Nation.Roboii elimin de la bun nceput riscul erorilor i sunt capabili printre altelesanalizezedocumenteislendosarieze, existndastfelansacan urmtorii ani tot mai multe locuri de munc ocupate pn acum de oameni s fie preluate de mainrii inteligente.Fig. 8 Robot pentru misiuni de salvare8Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieCapitolul 1. Roboii industriali aspecte cinematicei organologiceIstoriaroboilor industriali dureazdenumai 30deani. Primul robot industrial a fost folosit n anul 1963 la uzinele Trenton ( S.U.A.) ale companiei General Motors. Deatunci i pnastzi numrul i performaneleroboilor industriali au crescut n continuu, pe msura dezvoltrii posibilitilor lor, gsindu-i noi utilizri, astzi putnd fi folosii n toate sferele de activitate, ziua cnd el va putea efectua orice gen de operaii ntrezrindu-se deja.Exist o multitudine de definiii date roboilor industriali. Mai nou definiiileroboilor industriali aufost standardizatedectreprincipaleleri productoare.Astfel norma francez NF E61-100/1983 definete robotul industrial astfel: Un robot industrial este un mecanism de manipulare automat, aservit n poziie, reprogramabil, polivalent, capabil s poziioneze i s orienteze materialele, piesele, uneltele sau dispozitivele specializate, n timpul unor micri variabile i programate, destinate executrii unor sarcini variate.DupnormagermanVDI2860BI.1roboiiindustrialisuntautomate mobile universale, cu mai multe axe, ale cror micri sunt liber programate pe traiectorii sauunghiuri, ntr-oanumitsuccesiuneamicrilor i nanumite cazuri comandate prin senzori. Ele pot fi echipate cu dispozitive de prehensiune, scule sau alte mijloace de fabricaie i pot ndeplini activiti de manipulare sau tehnologice.Dup norma rus GOST25685-83, robotul industrial este maina automat care reprezint ansamblul manipulatorului i al dispozitivului de comand reprogramabil, pentru realizarea n procesul de producie a funciilor motricei decomand, nlocuindfunciileanaloagealeomuluindeplasarea pieselor i/sau a uneltelor tehnologice.Standardul japonez JIS B 0124/1979 definete robotul industrial ca:...un sistem mecanic dotat cu funcii motoare flexibile analoage celor ale organismelor vii sau combin asemenea funcii motoare cu funcii inteligente, sistemecareactioneazcorespunztor voinei omului.ncontextul acestei definiii, prin funcie inteligent se nelege capacitatea sistemului de a executa cel puinunadinurmtoareleaciuni: judecat, recunoaterea, adaptareasau nvarea.Dezvoltareaexplozivaroboilor industriali aconduslaapariiaunui numr enorm de roboi industriali avnd cele mai diferite forme i structuri. A aprut astfel necesitatea clasificrii roboilor industriali dup anumite criterii. 9Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieEi se clasific astfel:1. Dup informaia de intrare i modul de nvare al robotului industrial:1.1. Manipulator manual, care este acionat direct de ctre om;1.2. Robot secvenial, care are anumii pai ce asculta de o procedur predeterminat. La rndul lor acetia pot fi :- robot secvenial fix, la care informaia predeterminat nu poate fi uor modificat;- robot secvenial variabil, la care informaia predetrminat poate fi uor schimbat;1.3. Robot repetitor(playback). Lanceput omulnvarobotul procedurade lucru, acesta memoreaz procedura, apoi o poate repeta de cte ori este nevoie.1.4. Robotcucontrolnumeric. Robotulindustrialexecutoperaiileceruten conformitate cu informaiile numerice pe care le primete.1.5. Robotul inteligent i decide comportamentul pe baza informaiilor primite prin senzorii pe care i are la dispoziie i prin posibilitile sale de recunoatere.2. Clasificarea dup forma micrii :2.1. Robotul cartezian este cel ce opereaz ntr-un spaiu definit de coordonate carteziene;2.2 Robotul cilindric este similar celui cartezian, dar spaiul de lucru al braului este definit n coordonate cilindrice;2.3.Robotul sferic (polar) are spaiul de lucrudefinit ncoordonate sferice (polare);2.4. Robotul protetic are un bra articulat;2.5. Roboi industriali n alte tipuri de coordonate.3. Clasificarea dup numrul gradelor de libertate.4. Clasificarea dup spaiul de lucru i greutatea sarcinii manipulate.5. Clasificarea dup metoda de control.5.1. Manipulatoare simple, formate din grupele 1.1 i 1.2;5.2. Roboi programabili, formai din grupele 1.3 i 1.4.5.3 Roboi inteligeni.6. Dup generaii sau nivele, n funcie de comanda i gradul de dezvoltare al inteligenei artificiale, deosebim :6.1. Roboi din generaia I, care acioneaz pe baza unui program flexibil, dar prestabilit de programator, care nu se mai poate schimba n timpul executiei;6.2. Roboii dingeneraia a-II-a se caracterizeaz prinaceea c programul flexibil prestabilit poate fi schimbat n limite foarte restrnse n timpul execuiei;10Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaie6.3. Roboii din generaia a-III-a posed nsuirea de a-i adapta singuri programul nfuncie de informaiile culese prinproprii senzori dinmediul ambiant.nafaraacestor criterii declasificarenfunciedenecesiti i/saude evoluia ulterioar a robotului industrial se mai pot defini i alte criterii, dup care se clasific roboii industriali.Indiferent de obiectiv (poziionare sau efectuarea unor operaii tehnologice) roboii industriali (RI) trebuiespozitionezei sorientezeun obiect n spaiu. Fixarea i orientarea unui corp n spaiu se face cu ajutorul a aseparametrii: trei pentrupoziiei trei pentruorientare. Aceastasepoate realiza prin rotaii, translaii sau rotaii combinate cu translaii. Un solid rigid poate fi definit prin intermediul unui punct aparinnd lui, numit punct caracteristic(celmai frecventcentrulde greutateal solidului rigid)ial unei drepte ce conine punctul caracteristic numit dreapt caracteristic.Un punct material caracteristic i o dreapt caracteristic definesc un solid rigid.Cele trei grade de libertate ale mecanismului generator de traiectorie pot fi cuplederotaiesaudetranslaie, ntimpcemecanismul deorientareesten general constituit din trei cuple cinematice de rotaie. Mecanismul generator de traiectorie poate fi separat de mecanismul de orientare, situaie n care structura robotului se numete structur deculat.Micarea de poziionare se poate realiza utiliznd trei cuple cinematice de rotaie (R) sau translaie (T). Exist 8 combinaii posibile de rotaii i translaii (23=8). Acestea sunt: RRR, RRT, RTR, RTT, TRR, TRT, TTR, TTT. Ct despre dispozitivul de ghidare acesta poate exista n 33=27 variante. Combinnd cele 8 posibiliti cu cele 27 combinaii rezult 8 x 27 = 216 lanuri cinematice. Nu toate aceste varinate conduc ns ctre un spaiu de lucru tridimensional i n consecin acestea vor fi eliminate, n final ramnnd 37 variante posibile.Dintrecele8structuri posibiledemecanismgeneratordetraiectorie4 sunt depreferat, conformGOST25685/83i JIS0134/86: TTT, RTT, RRT, RRR. Fiecare dintre cele 37 de structuri de lan cinematic poate sta la baza unui robot, determinnd o arhitectur specific.Pringradul demanevrabilitateal dispozitivului deghidaresenelege numrul gradelordemobilitateale lanuluicinematic care i stlabaz.Prin graddemobilitateal lanului cinematicsenelegenumrul posibiltilor de micare pe care lanul cinematic le are n raport cu sistemul de referin solidarizat cu unul din elementele sale. 11Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieFr ndoial, una dintre principalele caracteristici ce definesc un robot, l constituie "gradele de libertate" pe care acesta le posed. A vorbi de gradele de libertatealerobotului esteechivalent cuaspunenumrul i tipul demicri efectuate de ctre manipulator.Urmrindmicriledebra i dencheieturaminiiunui robotului (fig. 9), se poate determina numrul de grade de libertate pe care le are un robot.Fig. 9 Micrile de bra i de ncheietur a minii unui robotuluin general, att n braul ct i n ncheietura minii robotului, gradele de libertate variaz de la unu la trei grade de libertate, n funcie de complexitatea robotului.De exemplu, robotulJupiter, care este un robot ce realizeaz operaii de depozitare automat prin rotaia minii, posed un singur grad de libertate. La rndulsu, ncheieturaminiirobotuluiMoveMasterMitsubishiesteproiectat pentru a face o micare de rotaie i una de translaie, adic are dou grade de libertate. n concluzie, gradele de libertate ale unui robot sunt direct legate de anatomia lor.Poziia unui punct n spaiu este determinat prin trei parametri geometrici independeni ntre ei, care pot fi coordonatele punctului considerat. Dac se stabilete o lege de determinare a acestor parametri pentru orice punct din spaiu, spunem c am stabilit un sistem de coordonate.Punctul caracteristic poate fi poziionat n interiorul spaiului de lucru al robotului industrial ntr-unul din urmtoarele sisteme de coordonate: - sistem de coordonate cartezian (fig. 10); - sistem de coordonate cilindric (fig. 11);- sistem de coordonate sferic (fig. 12);- sistem de coordonate unghiular (fig. 13).12Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaie Fig. 10 Robot n sistem de coordonate cartezian Fig. 11 Robot n sistem de coordonate cilindrice

Fig. 12 Robot n sistem de coordonate sferice13Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaie Fig. 13 Robot n sistem de coordonate unghiulareAlegereaunuiasauaaltuiadintresistemesefacei nconcordancu arhitectura robotului.Robotul industrial 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 dediferiteseexplicprincomplexitateadeosebitarobotului, att sub raportul arhitecturii mecanice, ct i n ceea ce privete sistemul de conducere.Privit n toat complexitatea sa,un sistem robotic cuprinde urmtoarele componente (fig. 14): spaiul de operare, sursa de energie, sursa de informaie i robotul.Fig. 14 Componentele unui sistem robotic14Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieSpaiul 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 energieconstituie 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 informaiedefinete 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 privindstareaunitii operaionale, observaii asupraspaiului 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 furnizatde sursireacionnd adecvat lasemnalele primite dinexterior. n componena robotului distingem: elementele care interacioneaz direct cu spaiul deoperare(elementeleefectoare, griperesaumini), componentede structur (articulaii, segmente), modulatoare de energie (amplificatoare), convertoare de energie (motoare), sisteme de transmisie a energiei mecanice i senzori interni.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. Aceastproprietateestestrnslegatdestructurai capacitateamecanica 15Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaierobotului, eaimplicndconfiguraii mecanicecugeometrievariabilacror 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 nrealizarea unor operaii incomplet specificateprinprogramul deconducere, proprietateadeasesiza anumitemodificri alemediului deoperare, posibilitateadeastabili unplan complet de operaii avnd jalonate numai anumite faze semnificative etc.Roboii industriali utilizai n momentul de fa prezint soluii constructiveiconceptualeneunitare datorit, nspecial,diversitii sarcinilor cerute, parametrilortehniciimpuiiaplicaiilorspecificepentrucareaufost proiectai. Cu toat aceast aparent neunitate, robotul prin structura sa mecanicpoatefi considerat caunsistemomogenformat dinelementecu 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 robotuluiElementul efector denumit uneori i griper, element de prehensiune, mn saupuri simpluelement terminal asigurcontactul 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 realizareafie aunuielementmultifuncional cu o gamlarg deaplicaii,fie spre un element efector monofuncional cu o destinaie precis.Braul robotului servete pentru poziionarea corect a elementului efector. nacest scop, braul reprezintostructurmecaniccuogeometrie 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 nraport cusegmentul precedent. Aceste micri sunt n general restricionate de anumite caracteristici ale arhitecturii mecanice.16Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieToate aceste elemente i subansamble se monteaz pe un cadru special ce formeazbazarobotului. Aceastbazseaeazfiepeunpostamentfixsau 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. nafardeaceaststructurclasic, nconstruciaroboilorpot aparesisteme delocomoie, sisteme cu2-3brae, sisteme cu2-3elemente efectoare etc.Complexitatea sistemului de conducere i gradul de dificultate al operaiilor executate determin adoptarea unor tehnologii specifice de implementare a legilor de conducere.Soluiileoferitedemajoritatearoboilor i manipulatoarelor industriale pot fi grupate n dou clase: implementri n logic cablat i implementri n logic flexibil (programat). Prima clas este reprezentativ pentru acele tipuri de roboi secveniali i manipulatoare care au sisteme de conducere cu cel mult dou nivele ierarhice (inferioare), nivelul executiv i tactic.Legile de conducere sunt de tip secvenial i prezint un pronunat caracterderigiditate, traiectoriiledemicare, impusedeoperaiileexecutate, pstrnd constante forma i mrimile lor semnificative. Tehnologic aceste sisteme sunt realizate n dou variante: fluidic i electronic. Soluia fluidic este ntlnitlaprimeletipuri demanipulatoareindustriale, nmomentul defa preferndu-se aproape n exclusivitate tehnologiile de tip electronic.Soluiileflexibiledeconducerecorespundcerinelor impusederoboii industriali moderni. Ele ofer avantaje deosebite att sub raportul performanelor realizate ct i n ceea ce privete complexitatea problemelor tratate i simplitatea structurilor hardware utilizate. Practic, aceste sisteme sunt implementatenpatruvariante: culogicflexibildetipmicroprogramat, cu automate programabile, microprocesoare i microcalculatoare. Aceast ealonare indic de fapt i complexitatea soluiilor adoptate, structurilemicroprogramatecorespunzndunor legi deconduceresimpleiar conducereacumicroprocesoarei microcalculatoarefiindspecificsistemelor complexe cu o comportare adaptiv fa de schimbrile mediului de operare.Majoritatea roboilor i manipulatoarelor industriale opereaz n practic ncondiiicunoscuteanticipat, funcionndciclicnconformitatecucerinele 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 poatefi sintetizat utilizndmodelul centralizat (global)al robotului.ntruct aceste modele sunt, n general, destul de precise, este de ateptat ca 17Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaietraiectoriarealizatderobot prinexercitareaacestui control sfiedestul de corect 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.Aceast soluie este, n general, unanim acceptat n aplicaiile industriale aleroboilori manipulatoarelor, calculul off-lineal controlului fiindrealizat ntr-un calculator suficient de puternic, ce acoper un numr mare de sisteme de conducere, ntimpcecontrolul efectival roboilorlanivel executivcaden 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 introducereaunor criterii suplimentarecarespenalizezei srestricioneze posibilitiledemicarealerobotului. nacest fel, oconducereoptimsau suboptimal satisface pe de o parte anumite criterii de performan i nltur, pe dealtparte, aspecteleconducerii redundante. Evident caoastfel detratare 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, estepreferatdecuplareamodelului nsubsisteme, nmodnormal 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 succes dac se ine cont de faptul c, n condiiile definirii fiecrui grad de libertate ca unsubsistempropriu, cuplajul ntresubsistemeestedeterminat deforelei momentele in articulaie. Este posibil sa se elimine interaciunea dintre subsisteme prin introducerea unor bucle de compensare adecvate. Aceast metodprezintinconvenientul utilizrii unor traductoarefor- moment, n generaltraductoarepretenioase, costisitoare. Cutoateacestea, proceduraeste 18Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaieatractivdatorit, nspecial, utilizrii unor algoritmi deconduceremult mai simpli dect n varianta clasic. Conducerearoboilorprinmsurareaforelor-momentelorseimpunede asemenea noperaiiledeasamblarecndrobotul vinencontact direct cu anumiteobiecte. nacest caz, conducereaprincontrolul foreipermiteomai bun adaptare la fluctuaiile parametrilor spaiului de operare realiznd totodat performane dinamice satisfctoare.Problemacinematicdirectreprezintansamblul relaiilor carepermit definirea poziiei endefectorului n funcie de coordonatele articulare, practic ea asigurndconversia coordonatelor interne (articulare) ncoordonate externe (operaionale).Conversia coordonatelor articulare n coordonate operaionale se face prin rezolvarea problemei cinematice directe iar conversia coordonatelor coordonatelor operaionale n coordonate articulare se face prin rezolvarea problemei cinematice inverse.Determinarea poziiei punctului caracteristic manipulat n spaiul triedruluidereferintfixesteoproblemrelativsimpli dejarezolvat, ea constituind soluia problemei cinematice directe.Problema cinematic invers permite calculul coordonatelor articulaiilor, careaducendefectorul npoziiai orientareadorit, datefiindcoordonatele absolute (operaionale).Atunci cnd problema cinematica invers are soluie, ea se constituie n modelul geometric invers MGI. Dac nu putemgsi o soluie analitic problemei cinematiceinverse(ceeacesentmpldestul defrecvent)putem apela la metode numerice, al cror neajuns ns l constituie volumul mare de calcule.Spunemcunrobot aresoluielaproblemacinematicainvers, dac putem s-i calculm toate configuraiile care permit atingerea unei poziii date. Nutoate mecanismele articulate satisfac ns aceast condiie. Dup Roth, roboii cu mai puin de ase grade de libertate au ntotdeauna soluie. Roboii cu ase grade de libertate au soluie, dac prezint una dintre urmtoarele caracteristici :- posed trei cuple de translaie;- posed trei cuple de rotaie cu axe concurente;- posed o cupla de rotaie i una de translaie coaxiale;- posed dou perechi de cuple de rotaie cu axe concurente.19Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieAproape toate structurile de roboi industriali utilizate n industrie prezint o soluie a problemei cinematice inverse i de aceea au structuri asemnatoare celor descrise anterior.Din punct de vedere al numrului de soluii exist trei cazuri:1. Problema cinematic invers nu are soluii, ca n cazul cnd inta se afl n afara spaiului de lucru al robotului.2. Problema cinematica invers are o infinitate de soluii atunci cnd :- robotul este redundant vis a vis de misiunea ncredinat;- robotul se afl intr-o configuraie singular. Robotul nu-i poate roti endefectorul njurulanumitoraxe. Aceastsituaienusedatoreazstructurii robotului ci valorilor numerice ale unor parametri ce descriu situaiile impuse.3. Problema cinematic invers are un numar finit de soluii i toate potfi calculate fr ambiguitate.Numarul de soluii depinde de arhitectura robotului. Pentru clasa roboilor cu ase grade de libertate posednd trei cuple cinematice de rotaie cu axe concurente numrul maxim de soluii este de 32. Acest numr, obinut atunci cndnici unparametrugeometricnuestenul, descrete atunci cnd acetia iau anumite valori particulare. Numrul de soluii mai depinde i de mrimea curselor articulaiilor.1.1. Robotul n coordonate cilindriceSistemul mecanic al unui robot este format dintr-o configuraie de corpuri rigide, elementele sistemului, legate ntre ele succesiv prin articulaii de rotaie sau translaie. Poziiile relative ale acestor elemente determin poziia pe ansamblua braului mecanic, aceast poziie reprezentnd de fapt una din condiiile funcionale ale robotului.Cele mai cunoscute versiuni de articulaii mecanice ntlnite n sistemele robotice sunt reprezentate prin lanuri cinematice deschise n care poziia viteza i acceleraiaunuielementpotfi obinute recursiv din parametrii elementului precedent. ngeneral, fiecareelement conineunsingur graddelibertaten raport cu elementul precedent astfel nct relaiile de transformare ntre elemente conin un singur parametru variabil. Legarea n cascad a tuturor transformrilor asociate fiecrui element permitedeterminareaparametrilor micrii ntregii configuraii mecanice i, n general, a elementului terminal.Operaiile de manipulare specifice unui robot cer, nprimul rnd, o poziionare corespunztoare a sistemului mecanic, deci atingerea unui punct din spaiul de lucru, i n al doilea rnd impun o anumit orientare a elementului terminal.20Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieSistemul mecanic al robotului este realizat prin legarea succesiv a unor articulaii simple de rotaie i translaie, poziia fiecrui element putnd fi definitnraport cuelementul precedent printr-osingurvariabilderotaie (unghi) sau de translaie (deplasare).Structurilemecaniceuzualentlnitelacelemai cunoscutefamilii de roboi industriali se grupeaz, dup coordonatele ce descriu poziiile braului, n: roboi de coordonate carteziene, cilindrice, sferice, de rezoluie etc. Indiferent de tipul utilizat, calculul cinematicserealizeazdeterminndparametrii fiecrei articulaii i formnd cu acetia matricele de transformare.Controlul cinematic este cea mai utilizat metod de control a micrii unui robot, soluionare problemei fiind dat, n mod paradoxal, chiar de robot, de implementarea sa fizic. Conceptul de baz n aceast abordare l constituie faptul c rezolvarea ecuaiilor implic evident modelarea lor (numeric sau analogic), ori ceamai bunmodelare, ceamai exact, oreprezintrobotul nsui. nacest sens, robotul esteforatsexecuteoanumittraiectorien spaiul sude lucru. npunctele prestabilite, dorite, sunt msurate valorile variabilelor de control, aceste valori reprezentnd soluiile exacte ale ecuaiilor cinetice asociate punctelor respective. Valorile astfel obinute vor constitui mrimi de control impuse n faza de operare propriu-zis a robotului.Modelul dinamic al unei structuri mecanice este reprezentat analitic printr-un sistemde ecuaii difereniale ce definesc legturile ce apar ntre coordonatelegeneralizatesauderivatelelor i forele, att disipative, ct i nedisipative, ce acioneaz asupra fiecrui element al configuraiei mecanice.Pentruexemplificare, etapele de mai sus vor fi dezvoltate pe cteva structuri mecanice. Se va considera robotul n coordonate cilindrice din figura 15.Fig. 15 Robot n coordonate cilindrice RTT21Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieRoboii n coordonate cilindrice pot descrie n functionarea lor o anvelop de tip cilindru (fig. 16). Acetia prezint dou axe liniare i o ax de rotaie, care corespund celor trei variabile ale sistemului de coordonate cilindrice i anume: rotaie, nalimei raz. Roboii dinaceast categoriepot efectua deplasri nainte/napoi sau rotiri stnga/dreapta.Fig. 16 Spaiul de lucru al robotului RTTCoordonatelegeneralizatealemicrii vor fi rotaia 1i celedou translaii: d2id3. Energiapotenialantreguluisistem, sepoateraportala referina bazei sub forma:2'gd m Epot (1.1)unde meste masa total echivalent n articulaia 3. Energia cinetic a masei este determinat de: o component produs de translaia masei (d3) i o component datorit rotaiei (1) deci,2 2.23.2123d dm EN cin+ (1.2)Analog, energia cinetic a masei m3 va fi determinat de rotaia braului m3 prin momentul de inerie,) (21123 323 32 33d J d m lmJ ,_

+ (1.3)i de translaia acestuia prin viteza de translaie, deci,2) (2.213 3.23 33d Jd mEcin+ (1.4)De asemenea, celelalte articulaii determin o energie.22'.21 121211d m J Ecin+ (1.5)Din (1.2) (1.5) se obine energia cinetic a sistemului mecanic22Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaie( )2 2) (2) (.22'.233.211 323d m dm m J d J d m EN N cin+ + + + + (1.6)Funcia Lagrangian va fi,( )2'.22'.233.211 3232 2) (2gd md m dm m J J d m LN N + + + + + (1.7)Pentru obinerea modelului dinamic este necesar determinarea derivatelor pariale ale lui L n raport cu parametrii micrii 1,d2,d3 i derivatele acestora .i ,.2d,3.d( ).21 1 323.1J J d mLN+ + 01 L .2'2.d mdLg mdL'2 (1.8)( ).3 3.2d m mdLN+ 22.213333

,_

+ dJm ddLNSubstituind rezultatele de mai sus n formula (funcia Lagrangian L)iiiFqLqLdtd., i=1,2,,n (1.9) se obine,( )1.3333.3.1 1 323..12 M ddJd d m J J d mN N

,_

+ + + + + (1.10)Separnd prile liniare n relaiile (1.10) i (1.11) rezult,2'..2'F g m d m +(1.11)( )3.21333..3 32 FdJm d d m mN N

,_

+ +(1.12)Separnd prile liniare n relaiile (1.10) i (1.11) rezult,1 1.3 1 1.1'1, , M d d B J

,_

+ (1.13)23Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaie( )3.1 3 2..3 3, F d B d m mN

,_

+ + (1.14)Ecuaiile (1.10) (1.12) definesc modelul dinamic al robotului. n aceste ultime relaii, termenii neliniari B1i B2definesc momente Cariolis sau componente de fore de frecare.1.2. Robotul de tip SCARARoboii SCARAau fost realizai pentru prima dat la Universitatea YAMANASHI din Japonia. Iniialele SCARA provin de la: ,Sellective Compliant Articulated Robot Arm. Avantajul se obine prin manipularea obiectelor cu greutate mai mare de 30 kg. Roboii SCARA sunt roboi al cror mecanism generator de traiectorie are dou cuple motoare de rotaie cuaxele paralele nplan vertical,iaratreiacupl motoare este de translaie pe odirecie paralel cu cea a axelor cuplelor motoare de rotaie.Soluia constructiv prezentat (fig. 17), se constituie dintr-unmecanismde poziionarecutrei gradedelibertate, ce are n componen trei elemente cinematice i trei cuple cinematice. Cele trei grade de libertate ale mecanismului de poziionare corespund micrilor de: Rotaie la baz (R), translaie pe vertical (T) i rotaie a braului articulat n plan orizontal (R).n figura 18, sunt prezentai dou tipuri de roboi tip SCARA produi de firma Stubli Faverges SCA din Frana. Fig 18 a) Robot RS20 SCARA Fig 18 b) Robot RS60 SCARA1.3. Alte tipuri de roboiFig. 17 Robotul tip SCARA (TRR)24Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieIndiferent de obiectiv (poziionare sau efectuarea unor operaii tehnologice) roboii industriali ( RI ) trebuie s poziioneze i s orienteze un obiect n spaiu. Fixarea i orientarea unui corp n spaiu se face cu ajutorul a aseparametrii: trei pentrupoziiei trei pentruorientare. Aceastasepoate realiza prin rotaii, translaii sau rotaii combinate cu translaii.Cele trei grade de libertate ale mecanismului generator de traiectorie pot fi cuplederotaiesaudetranslaie, ntimpcemecanismul deorientareesten general constituit din trei cuple cinematice de rotaie.ncele ce urmeaz vomtrece nrevist principalele tipuri deroboi industriali din punct de vedere al structurii mecanismului generator de traiectorie.a) Roboi industriali tip bra articulat ( BA )Robotul industrial tip bra articulat are ca mecanismgenerator de traiectorie un lan cinematic deschis compus din cuple cinematice de rotaie (fig. 19). Aceti roboi auomaresupleecarepermiteaccesul noricepunct al spaiului de lucru. Dezavantajul su principal l constituie rigiditatea sa redus.Fig. 19 Schema cinematic a unui robot bra articulat (BA)Cei mai cunoscui roboi industriali aparinnd acestei arhitecturi sunt:- ESAB (Suedia) (fig. 20.a);- Unimation (SUA) (fig. 20.b);- Cincinnati Millacrom (SUA) (fig. 20.c).25Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaie

a) ESAB (Suedia) b) Unimation (SUA)c) Cincinnati Millacrom (SUA)Fig. 20 Roboi tip bra articulatb) Roboi industriali de tip lan nchis ( LI )Laacest tipderoboi mecanismul generatordetraiectorieesteunlan cinematicnchis, detippatrulater articulat. Cuplelecinematicecareintrn componena lui sunt cuple de rotaie. Datorit construciei, ei au un spaiu de lucru considerabil mrit fa de roboii de tip BA. Avnd n vedere rigiditatea lor ridicat ei manipuleaz sarcini mari. Principalul lor dezavantaj const n construcia relativ complicat.Cei mai reprezentativiroboi aparinndacestei arhitecturisunt:Trallfa (Norvegia) (fig. 21.a) i K15 (Germania) (fig. 21.b).26Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaie

a) Trallfa (Norvegia) b) K15 (Germania)Fig. 21 Roboi tip lan nchisc) Roboi industriali de tip pistol ( P )Acest tipde roboi industriali este constituit dintr-uncorpcentral ce poartnumeledebra, asemntoruneievi depistol, care-i poatemodifica direcia i lungimea.Construcia lor este simpl i ei se remarc printr-o suplee i o dexteritate sczut. Spaiul lor de lucru este relativ mic. Se utilizeaz n special la manipularea unor mase reduse. Din punct de vedere structural sunt roboi de tip TRT.Dintreroboii aparinndacestui tipcei mai reprezentativi sunt MHU Senior (Suedia) (fig. 22.a), Unimate (SUA), Kawasaki (Japonia). Schema cinematic a unui astfel de robot este redat n figura 22.b. a) MHU Senior (Suedia) b) Schema cinematicFig. 22 Robot tip Pistol ( P )27Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaied) Roboi tip turel ( T )Roboii industriali detipturel(fig. 23)auoarhitecturasemntoare roboilor de tip pistol. Caracteristic pentru acest tip de robot este faptul c ntre corpul central i bra, avnd construcia i micrile similare cu cele ale subansablului similar delatipul pistol, seinterpuneunsubansambludetip turel, care permite o rotaie suplimentar n jurul unei axe care se gsete ntr-un plan orizontal. Fig. 23 Schema cinematic a unui robot tip turelRobusteeaisupleeaacestui tipderoboiestesuperioarcelordetip pistol. Roboii de tip turel sunt utilizai n aproape orice tip de aplicaie avnd din acest punct de vedere un caracter universal. Din punct de vedere structural sunt roboi de tip RRT. e) Roboi de tip coloan ( C )i acest tipderobot, cai cel detippistol i turel, areun bra care poate efectua o translaie, numai caceastaestepurtat deo coloan vertical care se poate roti i permite n acelai timp i o translaiepevertical. Roboii de tip coloan au o construcie simpl, sunt robuti i auobun dexteritate. Sunt mai puinsuplii dect cei de tip pistol i turel. Din punct de vedere structural schema cinematic a unui robot coloan este redat n figura 24.Fig. 24 Schema cinematic a unuirobot tip coloan28Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaief) Roboi tip cadru ( CD )Acest tip de roboi au o rigiditate deosebit, coloana de la tipul precedent fiind nlocuit cu un cadru. n rest ei au structura roboilor de tip coloan. g). Roboi de tip portal ( PO )n cazul n care este necesar manipularea unor piese grele ntr-un spaiu de dimensiuni mari se utilizeaz robotul tip portal. Acest tipse ntlnete frecventnindustriadeautomobile. Dinpunct devederestructuraleiaparin tipului TTT. h). Roboi de tip crucior( CA )n vedereamririispaiuluide lucru,roboii semonteaz pe crucioare care se pot deplasa liber pe ine. Acesteasunt celemai des utilizatearhitecturi deroboi industriali de topologie serial. Pe lng aspectul general, arhitectura roboilor influeneaz n mod direct performanele acestora, n principal rigiditatea, forma i dimensiunile spaiului de lucru.Astfel, roboii detipcoloani pistolauunspaiude lucru cilindric, n timp ce roboii portal au spaiul de lucru de form paralelipipedic. Roboii detiptureli bra articulatauspaiul delucru sferic.29Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieCapitolul 2. Sisteme de conducere a roboilorStructurade conducere a unui robot este ostructur 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.Organizareaierarhicasistemelor decontrol pentruroboi estedetip vertical, fiecare nivel ierarhic acoperind nivelul inferior sub raportul problemelordeconducereabordate. Unnivel decontrol comuniccunivelul 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 decomplexitateaigradulde "inteligen" alsistemului deconducere utilizat.Nivelul ierarhic superior l reprezint la roboi, ca i la alte sisteme complexe de conducere, operatorul uman. Acesta comunic cusistemul 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:1.Nivelul cel mai nalt corespunde sistemelor ce au posibilitatea recunoaterii obstacolelornspaiul deoperarei permiteluareaunordecizii adecvate la schimbarea condiiilor de lucru.2. Nivelul imediat inferior este denumit nivel strategic n care se produce defalcarea operaiei preconizate n operaii elementare.3.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.4. Ultimul nivel, nivelul inferior, este nivelul executiv, acesta coordonnd funcionareadiverselorsistemedeacionareasociategradelordelibertateale robotului.Aceste patru nivele ierarhice (figura 25) sunt ntlnite evident la roboii cu o organizare superioar care aparin generaiilor 2 sau 3. Roboii sau manipulatoareleindustrialeuzuale(generaia1)ausistemedeconducerecu numai dou nivele ierarhice, nivelele inferioare.30Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieFig. 25 Nivelele ierarhice ale sistemului de conducereSarcinile 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 demicaredoriti pedealtparteinformaii ceacoperfunciatehnologic impus robotului. nfigura 26, ramura dinstnga 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.31Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieInformaia rezultatestedefalcatpeaxele demicarei servete ca referin n acionarea efectiv a braului mecanic. Fig. 26 FluxulinformaionalAcest traseu informaional este prevzut cu 4 ci de reacie.Reaciadetip este o reacie obinut princonstruciemecanicinu afecteaz procesul de control al micrii.Reaciaasigur 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 sistemsenzorial adecvat care identific modificri nstructura spaiului de operare (schimbarea poziiei obiectelor, apariia unor obstacole etc.)Reaciadetermin 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 26) corespunde informaiilor ce activeaz elementele terminale, sistemul efector i dispozitivele de prelucrare tehnologic.n figura 27 sunt prezentate detaliat blocurile componente ce intervin n prelucrarea informaional ce nsoete procesul de conducere al unui robot.32Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieFig. 27 Blocurile componente ce intervin n prelucrarea informaionalLegturileexternealesistemului sunt realizatesubformaunui dialog ctreunoperatorlocal sauctreuncalculatorcesupervizeazsistemul. Prin aceste dou interfee se obine practic ogestiune adecvat a sistemului de programe. Programul de conducere selectat determin cele doufuncii: de micare i de operare tehnologic, fiecare din acestea fiind realizate prin bucle de control proprii.2.1. Sisteme de conducere a roboilor pe baz de echipamente numericeFlexibilitatea, fiabilitea, insensibilitea la perturbaii precum i o serie de cerine privind facilitile oferite la introducerea sau la modificarea programelor delucrusunt ctevadincaracteristiciledebazceseimpunlaoraactual echipamentelor de conducere pentru majoritatea aplicaiilor ce utilizeaz roboi industriali. ntr-omaremsur, aceste cerinesunt acoperitedeautomatele programabile.Un automat programabil este un sistem specializat destinat pentru tratarea problemelor de logic secvenial i combinaional, simulnd structurile logice 33Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaiede comand prntr-o configuraie elastic, programabil. Prin concepia sa, automatul programabil esteadaptabil pentrufuncionareanmediuindustrial, poate opera ntr-o plaj larg de temperatur i umiditate, este uor adaptabil la interfaareacuoriceprocesi nupuneproblemedeosebiteprivindformarea personalului de deservire datorit facilitilor de programare oferite. Toate aceste caracteristici, la care se mai pot aduga robusteea general a echipamentului i preul de cost relativ redus, fac ca automatele programabile s constituie o pondere important n sistemele de conducere ale roboilor industriali.Arhitectura general a unui automat programabil este desfurat n jurul unei magistralededatelacaresunt conectatecircuiteledeintrareieire, unitatea central i memoria sistemului (figura 28).Fig. 28 Arhitectura general a unui automat programabilVariabilel edeintrare sunt realizatesubformadiverselor elementede comand i msurare incluse n sistemele operaionale i auxiliare ale roboilor: limitatoare de pozitie, mrimi mecanice de la traductoare de deplasare incrementale sau absolute sau chiar de la sisteme de msurare analogic dup o conversie analog-numeric.Variabilele de ieire dirijeaz acionarea elementelor de execuie de tipul contactoarelor, electrovalvelor, elementelor de afiare, etc.Circuiteledeinterfaintrare-ieireauroluldeaconvertisemnalelede intraredediverseformensemnalelogiceadaptateunitaii centralei dea transformasemnalelelogicealeunitaii nsemnaledeieirecorespunztoare acionrii impus de sistemul de for al robotului.Unitatea de comandcoordoneaz toate transformrile de date furnizate de proces, efectueaz operaii logice asupra datelor recepionate i asigur alocarea corespunztoare a rezultatelor obinute la ieirile programate. De 34Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaieasemenea, executa i o prelucrare de informaie numeric de la proces, rezultatul acestor operaii condiionand starea operatorilor logici ai unitii de control.Unitatea de programare permite introducerea i definitivarea programului n raport cu evoluia robotului i cu modificrile impuse n secvenele funcionale de baz ale acestuia. Soluiile adoptate de proiectani cuprind dou versiuni; oconsolautonomcumemoriepropriesauoconsolceopereaza mpreuna cu automatul utiliznd memoria acestuia. Prima variant ofer avantajul unei programri simple, ntr-unbiroudeproiectare, adouaimplic cuplarea direct la automat deci implicit programarea se realizeaz nemijlocit n intimitatea procesului tehnologic condus. Unitatea central este, n principiu, o unitate logic capabil s interpreteze un numr mic de instruciuni care exprim funciile de baz ntr-un proces deconducere; instruciuni de evaluareaunor expresii booleeene cu pstrarea rezultatului la o variabil din memorie sau la o ieire, instruciuni de numrare sau temporizare, instruciuni aritmetice de adunare, scdere, comparaie, etc. Deasemenea, pot fi utilizateinstruciuni desalt condiionat, instruciuni de subrutine i instruciuni de indexare. Executareainstruciuniloresteciclic, ceeacedeterminosimplificare considerabilaastructurii logiceinternei evitintroducereaunui sistemde ntreruperi prioritare. inndcont de constantele de timpproprii acionrii roboilor industriali, se impune ca timpul de baleaj al unui programde conducere s fie inferior celei mai mici constante de timp. n acest fel, se asigura preluarea tuturorinformaiilor privind elementele semnificative alemicariii interpretarea lor imediat.Memoria automatelor programabile stocheaza programe de date i este, n generel, o memorie de dimensiune mica, ntre 1k i 16k cuvinte, standardizate deobicei la8sau16bii. Memoriaestesegmantatnzone: unarezervat variabilelor de intrare-ieire, alta variabilelor ce definesc starea intern a automatului i ultima este destinata programului ce urmeaz s fie executat.O caracteristic esenial a automatelor o constituie simplitatea limbajului de programare. O persoan, nefamiliarizart cu tehnici specifice de informatic, poate sa programeze usor i rapid un automat. Programarea const ntr-o scriere direct a unor secvene de instruciuni sau de ecuatii plecnd de la o diagram, organigramedestri, expresii logice, etc. Uneleautomateutilizeaz, pentru programare, un limbaj similar unei logici cablate, altele prefer limbaje simbolice de tip boolean, ceea ce le confer o suplete deosebit.35Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaie2.1.1.Sistemul de interfa automat robotConectarea unui automat la dispozitivele de intrare ieire ale unui robot se realizez prin intermediul unor circuite de interfat ce asigur compatibilitatea ntre tensiune i putere a semnalelor transmise. Aceste circuite primescdelasistemeledemsurarei senzorialealerobotului informaiade msurare corespunztoare sau genereazacatre sistemul de acionare al acestuia mrimiledecomandadecvate. Primul tipdecircuitedefinetesistemul de interfaare pe intrare al automatului, iar al doilea pe ieire.Mrimile transmise pot reprezenta variabile de tip secvenial sau variabile numericenconformitatecustructuraalgoritmilordecomandutilizai i cu modalitile de prelucrare intern, n automat, a informaiei de operare. Aceste mrimi sunt captate de la robot sau sunt transmise ctre acestea n mod periodic, conformproceduriidedialogareutilizatdeautomat. Trebuiesubliniat, nca odata, absena unui sistem de ntreruperi n structura intern a automatului ceea ce impune interogarea periodic a mrimilor de intrare (de la robot) i activarea tot periodica a canalelor de ieire (spre robot). Fig. 29 Arhitectura general a unui automat programabilPentrurealizareaunor faciliti privindsistemul deadresareaacestor variabile, mrimile corespunztoare sunt organizate pe module, un modul cuprinzndunnumr bineprecizat devariabilencorelaiecudimensiunile magistralelor utilizate i cu mrimea cmpului de variabile.Dialogul automat robot poate fi realizat n trei moduri:1) la fiecare nceput de ciclu program sunt achiziionate toate mrimile de intrare, se genereaz toate iesirile determinate n ciclul precedent iar ulterior se tece la execuia programului propriu-zis;2) sunt achiziionte inti intrrile, se execut programul i se genereaz ieirile obinute dup noua execuie a programului;36Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaie3) intrrile i ieirile sunt achiziionate sau generate la cerere, n conformitate cu structura logic a programului.I. Sistemul de interfa pe intrareInformaiile de intrare n automat sunt reprezentate de o serie de variabile detipul tot saunimiccedefinescanumitepoziii saustri funcionaleale robotului precum i de variabilele numerice obinute la ieirea traductoarelor de deplasare. Aceste mrimi definesc, n ansamblu, cmpul de variabile de intrare ( I ) ce constituie sursa unor operanzi primari n prelucrarea ulterioar a informaiei.Seleciaacestormrimi seobineprinmai multeniveledeadresaren funcie de numrul de intrri aplicate i modul lor de organizare. n figura 30 esteprezentatoschemgeneraldeadresarepedouanivele. Cei Akbiiai vectorului de adres sunt defalcai n 2 1k k kA+ (1.15)unde 1ki 2k realizeazadresareapeceledouniveledeadresa, respectiv, activareacelor doulinii demultiplexoareestecontrolatprinsemnalelede validare 1vi 2v .Pentrurealizarea compatibilitii electrice cumagistralele automatului semnalele primare de la intrare sunt prelucrate n circuite specializate CI.Fig. 30 Schem general de adresare pe doua niveleAcestea asigur adaptarea de impedana necesar, separarea galvanic a sursei primare, traductorul, de circuitele interne ale automatului, formarea semnalului electric n tensiune la parametrii acceptai de logic interna a acestuia etc.37Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieCircuitul reprzentat n figura 31 constituie o configuraie utilizat pe larg nacest scop. Acestaconineunprimgrupdeelementeceasigurdetecia semnalelor pozitive cu o amplitudine suficient de mare (deci eliminarea semnalelorpozitivedeamplitudineredus), diodeleDi DZi uncircuit de filtrare de tip trece-jos,1R,2R,1C. A doua parte a circuitului este obinut dntr-unformatorcupragdetiptrierSchmit cepermiteobinereacaracteristicilor rectangulareidenivelconstant pentrusemnaleleprelucrate. Celedoupri sunt cuplateprintr-unelement optocuplor OCceasigurtotodatsepararea galvanic fat de sursa primar.Fig. 31 Circuit intern al automatuluiSistemul acesta asigur transferul mrimilor de intrare pe magistrala de date a automatului. Dac prelucrarea logic intern a automatului este numai de tip secvenial, magistrala de date cuprinde o singur linie pe care vehiculeaz informaia respectiv. n cazul n care procesorul automatului este de tip numeric atunci magistrala cuprinde n mod curent 8 linii7 1 0,.... , D D D. Variabilele deintraredetipsecvenial sunt preluatedelinia 0Diar vectorul deintrare numeric este transferat n paralel pe cele 8 linii ale magistralei.Robotul poate accepta ca variabile de tip secvenial toate mrimile generate dup principiul tot sau nimic, deci limitatoare de poziie, limitatoare de cap de curs, senzori de proximitate, anumiti senzori tactili, traductoare de for moment cu prag etc. Toate aceste mrimi sunt organizate pe module i conectate direct, sau dupa cteva adaptri, la bornele de intrare ale interfeei.Variabilele numerice provin direct din traductoarele de msurare absolute sau din circuitul numeric (numrtorul de impulsuri) asociat msurii incrementale. n aceast categorie pot fi incluse, de asemenea, mrimile furnizatedetraductoaresenzorialedetipanalogicdupconversiaacestoran mrimi numerice. Se pot enumera astfel traductoarele de deplasare de tip potentiometric, majoritatea senzorilor tactili de tip piele artificial, traductoarele de fort moment etc.II. Sistemul de interfa pe ieire38Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieTransferul datelorde laautomat spre sistemul de acionareal robotului sau spre anumite dispozitive ale instalaiei tehnologice se realizeaz prin tehnici de demultiplexare succesiv, nfuncie de numarul de variabile controlate. Variabilele de ieire furnizate de automat pot fi de tip secvenial pentru acionareaunor circuitedeforcusistemdecomandpepoart(tiristoare, triacuri), a unor relee intermediare, contractoare, etc., fie de tip numeric pentru controlul unor bucle de reglare din sistemul de conducere al robotului.n figura 32 este prezentat un sistem de interfa cu decodificarea paralel a vectorului de adres. CeiAk bii de adres fiind segmentati n dou grupe cu1k i respectiv 2kbii. Fiecare segment servete pentru adresarea demultiplexoarelor DMUX1, DMUX2, funcionarea n paralel a acestora permind selecia simultan a cilor de activare pentru circuitele ieirilor secveniale i numerice. Propriu-zis, informaia de ieire veehiculat pe magistrala de date este nscris n circuite de memorie de tipul bistabilelor D (componentele secveniale cuplate la linia 0D) i n registre de ieire (commponentele numerice). Activarea funciei de scriere n aceste componente se obine prin controlul semnalului de tact cu circuitele demultiplexoare menionate i prin semnalele de validare VM emise de magistrala de control.Fig. 32 Sistem de interfa cu decodificarea paralel a vectorului de adresCuplareasistemului deinterfalarobot serealizeazprincircuitede ieire specializate CE ce permit adaptarea electric cu sistemul de acionare al 39Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaierobotului, realizarea niveleului de putere solicitat de circuitele de fort precum i separarea galvanic a etajelor.Circuitul este construit sub forma unui etaj amplificator de tip Darlington (figura 33) lacarecomanda este datprntr-unelement optocuplor OC. n ieirea amplificatorului este montat sarcina propriu-zis, protejat la supratensiuni prntr-o diod de protecie D.Fig. 33 Etaj amplificator de tip DarlingtonAceste configuraii de circuite sunt utilizate de obicei la transferul variabilelor detipsecvential, informaiilenumericesunt transferatedirect n circuitele de control numeric, forma acestora fiind compatibil cu sistemele de prelucrare utilizate n buclele de conducere numeric.Ansamblul acestor mrimi definete cmpul variabilelor de ieire secveniale E sau numerice EN. n majoritatea programelor de conducere, aceste mrimi sunt generate la sfrsitul unor operaii logice sau aritmetice i marcheaz deobicei finalizareaunor secvene funcionale. nunelecazuri, prelucrarea logicexecutatntr-oanumitfaznecesitapelareaunorvariabiledeieire determinatentr-ofaznecesitapelareaunor variabiledeieiredeterminate ntr-o faz anterioar. Pentru a facilita aceste operaii, unele automate conin o memoriesuplimentar(RAM)ncaresenscriuvalorileieirilorsimultancu nscrierea ncircuitele de ieire. Se obine astfel nmemorie oimagine a mrimilor deieirecepoate constitui osurspentruoperanzii implicai n programele automatului.2.1.2.Automate programabile cu operare scalarAutomateledinaceastclasdesistemerealizeazprelucrarealogica unor variabile secveniale scalare a cror reprezentare numeric este redat ntr-un singur bit. Aceste variabile sunt intlnite frecvent ntr-o clas larg de roboi i manipulatoare att ca mrimi de comand pentru sisteme de acionare de tipul contactelor, releelor, tiristoarelor sau electroventilelor ct i ca mrimi de 40Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaieintrare, furnizte de o serie de traductoare sau senzori ce opereaz dup principiul tot sau nimic.Din punct de vedere funcional, aceste echipamente acoper toate structurile de comand asimilabile unor automate finite combinaionale sau secveniale, structuri intlnitelanumeroasetipuri deroboi industriali. Toate aceste elemente, la care se adaug facilitaile deosebite de implementare a programelor de conducere, robusteea echipamentului precum i preul de cost destul de modest fac ca automatele din aceast categorie s reprezinte o soluie atractiv pentru utilizarea lor ntr-un sistem de conducere.a) Structura de baz a automatelor programabile cu operare scalarConfiguraia de baz a acestui automat deriv din caracteristicile generale ale unei prelucrri scalare de informaie: evaluarea rapid a semnalelor furnizate de robot, prelucrarea logic a acestor semnale, memorarea rezultatelor acestor prelucrri sau generarea unor comenzi spre ieire, ctre sistemul condus. n acest sens, arhitectura acestui automat va cuprinde:- modul de intrare-ieire pentru interfaarea cu exteriorul;- un procesor pentru prelucrare logic;- blocuri de memorie pentru inmagazinarea programelor i datelor prelucrate.Structura general a acestui automat se poate urmri n figura 34. Toate blocurile sistemului sunt conectate la o magistral (linie) de date pe care vehiculeazinformaiadeintrare-ieire iinformaiilestocate n memoriesau prelucrate n unitaile interne ale automatului.Fig. 34 Structura general a automatului programabil41Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieProgramele sunt introduse ntr-o memorie MP(EPROM 4kx 16) adresabil de la un numrtor de adrese NA. Instruciunile sunt transferate ntr-un registru RI i decodificate n decodificatorul DI. n funcie de tipul instruciunii prelucrate,uncircuitdecontrolCCasigurtransferulnecesarde informaie iar unitatea logic ULrealizeaz prelucrarea logic specificat. Sistemul conine omemorie MI (91kx1) ce permite stocarea rezultatelor operaiilor logice efectuate. Aceasta constituie suportul destare pentru implementarea modelelor de automate finite ce constituie baza algoritmilor de conducere.Dialogul cuexteriorul automatului esterealizat cumoduledeinterfa pentru variabile de intrare i ieire, de tipul celor discutate n paragraful precedent. Sistemul cuprinde, de asemenea, unbloc de temporizareT Nce permite programarea unor regimuri de lucru dependente de o baz de timp sau a unor funcii de contorizare a unor evenimente de la proces.O instruciune a automatului are 16 bii i cuprinde trei pri principale:1. codul operatiei;2. cmpul variabilei apelate (operandul);3. adresa acesteia.12 13 14 15 D D D D 10 11D D 0 1 2 3 4 ..... 8 9 D D D D D D D Cod operaieCmp operandAdres operandPrimii patrubii 12 15D D desemneazcodul operaiei ceurmeazafi efectuat, urmatorii bii 10 11D D identific cmpul operandului, variabila respectiv putnd fi o variabil de intrare I, o variabil de ieire E, o variabil intern, dinmemorieM, sauovariabilobinutprinoperaiidenumrare temporizare T (Tabelul 1). Ultimii 10 bii definesc adresa efectiv a operanzilor, deci acestesistemepot operacucel mult 1024mrimi deintrare, ieirei interne.11111111]1

T e TemporizarM MemorieE IeeiI IntrareD DSimbol operand Cmp iabilei Tipul1 10 11 00 0

var10 11Tabelul1 Variabilele automatului42Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieCei patru bii de cod permit selectarea a 16 operaii logice, interpretarea acestora i execuia lor fiind realizate n blocuri RI, DI i unitatea logic UL. Unitatea logic este realizat n sistemul cu acumulator astfel inct rezultatul fiecrei prelucrri logice este memorat ntr-un registru specializat, un acumulator. innd cont de variabilele de tip scalar implicate n aceste operaii, rolul de acumulator l va juca la aceste sisteme un bistabil, notat convenional prin A (acumulator).Prelucrareainformaiei continutntr-oinstruciunecuprindeunnumr bineprecizat desecvene, executateciclicntr-osuccesiune impus. Aceste cicluri, definitenmodcurent cacicluri masin, servescpentrustructurarea circuitelor de control, a generatoarelor de stri i de tact (GS i GT). innd cont de simplitatea operaiilor realizate, un astfel de automat opereaza ntr-un singur ciclu masin definit prin secvenele:1) se extrage instruciunea din memorie;2) se decodific cmpurile instruciunii;3) se extrag datele din adresele specificate ;4) se execut operaia logic specific i se memoreaz rezultatul;Ultima secven implic memorarea rezultatului fie n bistabilul acumulator A, fie n memorie sau n modulele ieire i temporizare.b) Implementarea programelor de conducre Avndcareferinconfiguraiahardwareoferitdeautomatisetulde instruciuni al acestuia se poate trece la construirea programelor de conducere ale unui robot. Aceast implementare poate fi sintetizat n cteva etape:1) Descrierea complet a condiiilor de funcionare ale robotului, precizareatuturor secvenelor funcionale, acircuitelor delucruprecumi a regimurilor specifice de operare. Trebuie prezentate detaliat toate variabilele ce definesc poziia robotului, traductoarele utilizate, aspecte legatede calitatea semnalelorfurnizateimodullordeinterpretare. ncondiiileexistenei unui sistem senzorial, trebuiesc analizate semnalele generate de acesta i modificrile impuse regimurilor de lucru normale. Se impune o analiz riguroas a sistemului de acionare al robotului precizndu-se modalitaile de comand, caracteristicile semnalelor, parametrii acestora etc.2) Analiza configuraiei automatului astfel nct acesta s acopere cantitativ i calitativ funcionarea robotului. Acesta revine la stabilirea necesarului de memorie, a dimensiunii modulelor de intrare-ieire i a compatibilitii electrice a semnalelor. Se impune, de asemenea precizarea condiiilor industrialedelucrualeautomatului, nivelul perturbaiilorexterne, regimurile de alimentare electrice etc.3) Elaborareadocumentului surssubformaunei organigramedestri care s acopere toate condiiile formulate n etapa 1. n acest sens organigrama trebuie s redea detaliat strile funcionale, condiiile de comutare de la o stare la 43Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaiealta, mrimile de ieire generate n fiecare stare, ciclurile, regimurile de lucru de tip subrutina etc. 4) Sealocavariabilenautomat I,E,Mcaresacoperesemnalele de intrare furnizate de robot, variabilele de comand pentru sistemul de acionare al robotului i variabilele de stare, respectiv.5) Se scrie programul de conducere cu setul de instruciuni al automatului. n principiu, aceast scriere trebuie s parcurg urmatoarele etape:a) instruciuni pentru iniializarea strilor;b) instruciuni pentru acoperirea fiecrei stri;c) instruciunipentrusimulareatuturortraseelorlogicedin organigram.De obicei, condiiile de iniializare impun aducerea n starea 1 logic a variabilei dinmemoria Masociat strii iniiale a automatului i stergerea tuturor celorlalate variabile de stare.Instruciunile pentru acoperirea unei strri trebuie s redea toat informaia continut n aceast condiiile de activare a strii n momentul cnd robotul intr nea i dezactivarea acesteia cnd este depsita i generarea funciilor de ieire ctre sistemul de comand al robotului, specificndu-se fazele de anclasare (valoarea 1) ale acestora i de declanclaare (valoarea 0). Acestecondiii sunt realizateprinscriereaunui set deinstruciuni ce implementeaz:- apelarea din memorie a variabilei M ce corespunde strii;- tergerea conditionat a tuturor variabilelor M asociate strilor ce preced starea respectiv;- tergerea conditionat a tuturor variabilelor de ieire Egenerate n strile precedente;- generarea variabilei de ieire E asociat strii.6) Programul este introdus prin consola de programare a automatului n memoria intern a consolei, n regim de verificare. Dupa efectuarea verificrii i corectareaeventualelorerori, acestaesteintrodusnmemoriaprogrampentru utilizare.2.1.3.Automate programabile cu operare vectorialComplexitatea algoritmilor de conducere pentru o gam larg de roboi i manipulatoare, formele specifice de semnale generate de unele echipamente de msurare sau senzoriale ca i modalitaile caracteristice de interpretare a acestora impunextinderea operaiilor de prelucrare de la nivel de bit la o prelucrarearitmeticilogicdetipcuvnt, vectorial. Acesteautomatesunt realizate de obicei prin configuraii de microprocesoare de 8 sau 16 bii, folosind 44Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaieeficient facilitileoferitedeacesteaatt nceeaceprivestecapacitateade memorie, operaii logico-aritmetice i interfaarea cu mediul extern.Utilizarea unor operanzi vectoriali n aceste automate nu exclude prelucrarealogicaunor operanzi scalari lanivel debit. Acesteoperaii se mentin n continuare ntruct foarte multe funcii de manipulare specifice unor clase de roboi implic, pe lang controlul numeric al traiectoriei, operaii logice asupra unor mrimi secveniale (scalare).Din acest motiv, una din configuraiile cele mai ntlnite de automate din aceste clase conine structura de tip biprocesor pentru operanzi scalari i unul pentruoperanzi vectoriali (numerici) cu o gestionare adecvat a resurselor comune. O structur de acest fel este prezentat n figura 35.Fig. 35 Structura de tip biprocesorProgramul utilizator este realizat din instruciuni pe 16 bii i este rezident ntr-o memorie de tip EPROM. Controlul programului este realizat de o unitate UC ce permite avansarea pas cu pas a instruciunilor sau prin salt.InstruciunileextrasedinMPauodestinaieprecis, ctreprocesorul scalar sauctrecel numeric, nfunciedetipul acesteia. Indentificareaeste realizat pntr-un bit, B11 n formatul fiecrei instruciuni.Dac instruciunea este de tip scalar (0 11 B), n acest caz primii patru bii 12 15 B B cedefinesccodulsuntprelucraintr-ounitatelogicaprocesorului scalar iar ultimii bii sunt interpretai ntr-un controler.Operaiileexecutatedeprocesorsuntdeacelasi tipcalaoriceautomat sacvenial, ele implicnd transferuri de date i operaii logice asupra unor 45Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaievariabiledinmemoriainternMIi dinmoduleledeintrarei ieirescalar, MIS i respectiv MES.Instruciunile numerice sunt interpretate n unitatea central UC a microprocesorului ce servete ca suport procesorului vectorial. Aceste instruciuni definescoseriedeoperaii aritmeticei detransfer asupraunor mrimi de format vectorial ce au ca surs unul din canalele de intrri numerice din MIN, o variabil din memoria intern RAM sau ROM sau o variabil de tip imediat rezident n instruciuni. Destinaia prelucrrilor poate fi o ieire numeric din MEN sau o locaie din memoria intern RAM. Trebuie subliniat faptul c, dei operaiile de prelucrare logic i aritmeticsunt realizatedecteunprocesor specializat, resurselescalarei vectorialealesistemului sunt gestionatencomun. nacest sens, procesorul numeric are acces la informaiile de tip scalar rezidente n modulele procesorului respectiv, aceste mrimi condiionnd efectuarea operaiilor aritmetice i logice. Aceast gestionare se obine printr-un control eficient al vehiculrii de informaie pe magistralele celor dou procesoare, control realizat cu modulul IM (interfa de magistrale).Aceste posibilitai de apelare la resursele scalare i vectoriale permit utilizareaunor instruciuni complexencaresunt implicateambeletipuri de mrimi. n mod curent, variabila scalar obinut n procesorul scalar condiioneaz prelucrarea logico-aritmetic din procesorul vectorial. O astfel de variabil este numit n mod curent variabila martor. Utilizarea unor astfel de instruciuni faciliteaz implementarea unui programdeconducerentruct acestasintetizeazatt condiiadegenerarea strii sistemului la un moment dat ct i pe cea de transfer n starea urmatoare. Setul de instruciuni al unui astfel de automat cuprinde n general toate operaiile logicecurenteNU, I, SAU, I-NU, SAU-NU, SAU-EXCLUSIVefectuate asupra unor operanzi scalari sau vectoriali precum i gama de operaii aritmetice utilizate n mod curent n implementri numerice.Aceste instruciuni asigur, de asemenea, o serie de facilitai n organizarea programelor, a ciclurilor funcionale, a programelor de iniializare i a regimurilor de lucru de tip subrutin. n acest fel, limbajul acestor automate constituie un suport software adecvat pentru implementarea legilor de conducere la o gam de roboi industriali.De asemenea, compatibilitatea hardware la nivelul sistemelor de acionare i de msurare este pe deplin realizabil prin intermediul interfeelor scalare sau numerice prezentate mai sus.46Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaie2.2. Sistemedeconducerearoboilorpebazdecontrolerelogice programabileCapitolul de fa este destinat metodelor de conducere ale unor echipamentespecialecunoscutefrecvent subdenumireadecontrolerelogice programabile (CLP). Schema general a unui CLP este prezentat n figura 36.Fig. 36 Schema general a unui CLPDerivnd direct din automatele programabile discutate anterior, CLP-urile reprezint ultima realizare n domeniul att de diversificat al echipamentelor de conducere pentru procese secveniale. Proiectate iniial ca simple simulatoare ale schemelor cucontactei relee, acestesistemes-auimpusnultimii ani prin facilitile deosebite pe care le ofer att proiectantului ct i utilizatorului.Controlereleprogramabilesunt sistemespecializatedestinateacoperirii urmtoarelor funcii: procesarea datelor, memorare, transfer intrare-ieire. Dei indicativul "logic-programabil" desemneaz clar existena unor procesoare ce opereaz scalar, n prezent aceste echipamente pot prelucra de asemenea mrimi numerice, deci pot interveni direct n structuri de conducere numeric modelnd sau simulnd bucle de reglare complex.47Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieUn avantaj caracteristic acestor sisteme l reprezint posibilitatea vizualizriiprogramului deconducereprintr-oschemtip"contactei relee", reprezentare ladder". Aceast reprezentare ofer programatorului un afiaj electronic extrem de familiar, capabil s permit att faciliti de programare ct i de urmrire a evoluiei procesului condus. Aceste controlere realizeaz deci fuziuneantreotehnic"arhaic"aschemelorcucontacteimetodele moderne de procesare ale calculatoarelor numerice.UCcontroleaz i supervizeaz toate operaiile din interiorul CLP, transferul instruciunilor, procesarealori conexiunilecuexteriorul. UCeste alimentat de la un generator cu cuar cu frecven ntre 1 i 8 MHz (n funcie de tipul microprocesorului utilizat).Pentru memorarea programului toate CLP-urile moderne utilizeaz memorii RAM sau EPROM. Primele se folosesc pentru dezvoltrile iniiale ale programului care, duptestareacomplet, estenscris nEPROM. Celelalte memorii sunt utilizate pentru stocarea unor variabile intermediare pentru realizarea imaginilor variabilelor de intrare/ieire i pentrumemorarea unor funcii interne: numrare, temporizare, marcare etc.Unitile intrare-ieire formeaz interfaa ntre structura intern a CLP i procesul condussauacesteavorasigura, pedeoparteizolareaCLP-ului de exterior i compatibilitatea electric cu exteriorul a semnalelor ce intr sau sunt generate.Operaiile interne i procesarea datelor n CLPsunt aceleai cu ale oricrui microprocesor sau al automatelor programabile.La fazafetchinstruciunea este citit dinmemorie i plasat ntr-un registru de instruciuni pentru decodificarea ei n operaii interne (microinstruciuni)cerutedefiecareinstruciuneparticular. Urmeazfazade execuie a instruciunii care implic, de obicei, o prelucrare logic asupra unei variabile interne sau externe i stocarea rezultatului ntr-o locaie corespunztoare. Esteevident cunlocimportant nacesteoperaii l joac achiziionarea variabilelor externe.ngeneral exist doumodaliti decaptareavariabilelor deintrare. Prima procedur implic transferul datelor de la canalul de intrare specificat n instruciune, prelucrarea lor i nscrierea rezultatului n canalul de ieire dorit, (figura37.a). naldoileacaz, utilizat pentrusistemelecuunnumrmarede intrri/ieiri, ntr-o prim faz se achiziioneaz ntr-un RAM toate variabilele de intrare cuplate, se execut apoi ntreg programul memorndu-se toate rezultatele n alt seciune RAM i n final noile valori ale variabilelor de ieire se trimit pentru actualizare, n toate canalele de ieire cuplate la CLP (figura 37.b).48Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieFetch.decodificareexecuie instruciuneAchiziionarea variabilei de intrareFetch.decodificareexecuie instruciuneAchiziionarea variabilei de intrares 5

s 3

s 5

s 3

a)Copiaz toate intrrile n RAMFetch.decodificareexecuie pentru ntregul programTransfer toate ieirile din RAM n canalele corespunztoares 5

s 5 pentru 1 k programe

s 5

b)Fig. 37 Modaliti de captare a variabilelor de intrare2.2.1. Instruciuni i programarea grafic a CLPInstruciunileutilizatenprogramareaCLPsenscriungamauzuala instruciunilor logice avnd n plus caracteristici specifice rezultate din reprezentarea grafic proprie schemelor ladder.Diagramele ladder au fost utilizate iniial pentru reprezentarea circuitelor electrice. Ulterior, introducerea controlerelor programabile i dorina de a asigura utilizatorului aceleai faciliti n urmrirea funcionrii sau n testarea circuitelor au impus adaptarea simbolurilor circuitelor electrice n logica programabil.Odiagramladder, nschemeleelectrice, esteformatdindoubare verticale ce asigur potenialul electric necesar i o reea de contacte i bobine (figura 38.a).n figura 38.b este prezentat o reprezentare cu o logic similar cu cea oferit de schema electric dar utilizndsimboluri specificedin CLP. Dei simbolurile folosite de diverse firme nu au o standardizare riguroas acestea a) b)Fig. 38 Diagramaladder49Studiul unui Robot Translaie Rotaie Rotaiencearc s pstreze caracterul oferit de simbolurile i conexiunile electrice din care deriv.Programarea CLP se poate realiza att pe baza instruciunilor logice ct i prin programare grafic utiliznd simbolurilecorespunztoare.n acestcaz se permite utilizatorului s foloseasc simbolurile familiare din structura circuitelor electrice. Modulul de programare translateaz sau compileaz aceste simboluri grafice n instruciuni logice memorate n memoria RAM.2.2.2. Organigrame de stri i Grafcetn capitolele anterioare, implementarea sistemelor de conducere secvenialsebazapetehnicileoferitedeorganigramele(grafurile) destri. Acestea permiteau dezvoltarea unor metode puternice de implementare asociate diverselor sisteme ce reprezentau suportul hardware.n ultimii ani n literatura de specialitate, n special n cea de provenien francez, s-au introdus i dezvoltat noi sisteme de reprezentare grafic a evoluiei secveniale a proceselor, cunoscute sub denumirea de Grafcet.Dei un Grafcetred n esen aceleai elemente ca i o organigram de stri, anumite particulariti de reprezentare ofer faciliti att proiectantului ct i utilizatorului, ceea ce a dus la lrgirea ariei de utilizare i penetrarea metodei ntr-un mare numr de aplicaii.UnGrafcetesteungraf orientat definit printr-uncvadruplet} , , , { M E T Sunde:-} ,..., , {2 1 NS S S S este mulimea secvenelor (n particular a strilor);-} ,..., , {2 1 PT T T T estemulimeacondiiilor cedetermintranziiiledintr-o secven n alta;-} ,..., , {2 1 QE E E E este mulimea ieirilor generate n timpul evoluiei;-} ,..., , {2 1 MM M M M reprezinto mulimede valori binarecedesemneaz stareadeactivareafiecarei secvene. Pentru0 imseconsidercsecvena asociat este neactiv iar pentru 1 im secvena devine activ. n mod normal o singur secven este activ darpot exista situaii n care procese concurente pot determina activarea simultan a mai multor secvene.Simbolizarea Grafcet-ului nu este unic. n literatur se pot ntlni diverse moduri de reprezentare. nfigura39esteprezentatometodutilizatfrecvent naplicaii de conducere a proceselor industriale.50Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieO secven este reprezentat printr-un dreptunghi (sau un cerc) i definit printr-un identificator de secven. Acesteia i se asociaz o variabil, de obicei o variabil intern, ce reprezint suportul fizic al secvenei.Fig. 39 Metod utilizat n aplicaii de conducere a proceselor industrialeAsociat identificatorului de secven i conectat direct la acesta este blocul ieirilor generate n secvena respectiv. Activarea secvenei (variabilei) nseamnactivareatuturor ieirilor conectate. naceastreprezentaresemai poate remarca prezena a dou condiii de tranziie, prima desemnnd condiiile pentru atingerea secvenei iar a doua reprezentnd condiiile pentru evoluia n secvena urmtoare. Aceste condiii reprezint fie simple variabile externe, fie funcii logice complexe obinute prin operatori logici specializai. Conexiunile ntreblocurileunuiGrafcetseobinprinlinii orizontalei verticale. Liniile verticale desemneaz evoluii iar cele orizontale indic posibiliti de ramificare condiionat sau nu.n figura 40 sunt prescurtate dou diagrame, prima ca o ramificare de tip SAU, a doua cu o ramificare I. Fig. 40 Diagram cu ramnificaie de tip SAU i ramnificaie de tip I51Studiul unui Robot Translaie Rotaie RotaieEste evident c, n funcie de complexitatea procesului condus, arborescenaGrafcet-ului crete, naceeai structur putndfi ntlnite att ramificaii de tip I ct i SAU precum i configuraii ierarhizate corespunznd unor anumite grade de subordonare. n figura 41 este prezentat un Grafcet cu o astfel de structur, liniile0A,0B definind gradul 0 de subordonare iar liniile 1A, 1B, gradul 1.Fig. 41 Grafcet cu ramnificaie SAU i ramnificaie I i configuraii ierarhizateUn Grafcet poate fi ntotdeauna echivalat cu o organigram (graf) de stri, complexitatea translatrii fiind dat de gradul de