ROBOTI INDUSTRIALI
Note de curs
Conf. dr.ing. Marian
Poboroniuc
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 2
“Ce este un ROBOT ?”
• > 9 decenii de existenta – conceput
de scriitorul ceh Karel Capek.
Definitia 1: “ Un manipulator reprogramabil si
multifunctional realizat in scopul manipularii
materialelor, pieselor, sculelor sau
dispozitivelor specializate, intr-un mod
specific diferitelor miscari programate, pentru
a realiza o varietate de sarcini” - 1979
! Forta prin inteligenta artificiala
! Sistem in care inteligenta artificiala intalneste
lumea reala
CONCEPTE
NOI
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 3
Definitia 2 - Webster
“ROBOTUL este un dispozitiv
automat care realizeaza operatii sau
are functii normal etichetate ca
umane, sau o masina avand o forma
umana”
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 4
ROBOTICA
Se refera la studiul si
utilizarea robotilor.
Denumirea a fost
utilizata pentru prima data de
omul de stiinta si scriitor, Isaac
Asimov (2.01.1920-6.04.1992)
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 5
LEGILE ROBOTICII
LEGEA ZERO:
“ Un ROBOT nu trebuie sa produca nici un
rau umanitatii, sau, prin lipsa de actiune, sa
permita producerea unui rau asupra
umanitatii”
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 6
LEGILE ROBOTICII
LEGEA 1: “ Un ROBOT
nu trebuie sa produca nici
un rau unei fiinte umane,
sau, prin lipsa de actiune,
sa permita aceasta, dar in
conditiile respectarii legilor
de ordin superior” (aici
LEGEA ZERO).
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 7
LEGILE ROBOTICII
LEGEA 2:
“ Un ROBOT trebuie sa
execute ordinele primite
de la o fiinta umana,
exceptie facand acele
ordine care intra in
conflict cu o lege de ordin
superior”
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 8
LEGILE ROBOTICII
LEGEA 3:
“ Un ROBOT trebuie sa se protejeze pe sine
insusi, atata timp cat aceasta protectie nu intra
in conflict cu legi de ordin superior”
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 9
Deci, ce este un ROBOT? In general:
O masina programabila care imita actiunile sau aparenta
unei creaturi inteligente … uzual considerata a fi omul!
Pentru a fi definita drept robot, o masina trebuie
sa poata:
1) Sesiza si percepe: preia informatii despre mediul inconjurator
2) Executa anumite sarcini: locomotie si/sau manipulare, de exp.
realizare actiune de mutare sau manipulare obiecte.
3) Fi reprogramata: sa realizeze sarcini diverse
4) Functiona autonom si/sau sa interactioneze cu omul
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 10
Tipuri de roboti Roboti manipulatori
• Manipulatori mobili
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 11
Tipuri de roboti
Umanoid
Roboti pe
picioare
Roboti acvatici
Roboti mobili pe rotiRoboti aerieni
• D.p.d.v al locomotiei
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 12
Roboti mobili- Exemple
Hilare II
http://www.laas.fr/~matthieu/robots/
Sojourner Rover
NASA _ JPL, Explorare Marte
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 13
Exemple Roboti Autonomi
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 14
De ce utilizam robotii?
Aplicatii in medii:
– Periculoase
– Murdare
– Plictisitoare
– Dificil de strabatut
Sarcini:
– Automatizare
– Reparatii
– Asistenta
– Care necesita autonomie
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 15
De ce utilizam robotii? Creste calitatea productiei
– Precizie superioara (micrometri)
– Precizie repetabila consistenta produselor
Creste eficienta– Muncesc continuu fara a obosi
– Nu au nevoie de vacante
Creste siguranta – Opereaza in medii periculoase
– Nu au nevoie de confort – aer conditionat, protectie la zgomote etc.
Reducere costuri– Reducere numar rebuturi
– Cost redus pentru forta de munca
Reducere timp productie– Raspuns rapid la modificarile de proiectare
Productivitate crescuta– Creste valoarea productiei/persoan/ora
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 16
Putina istorie a robotilor Automat: o masina sau mecanism de control
proiectat a urmari in mod automat o secventa predefinita de operatii, sau sa raspunda la instructiuni codate.
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 17
Istoria robotilor 1961
– George C. Devol obtine primul brevet U.S. No. 2,998,237.
– Joe Engelberger formeza Unimation si a fost primul producator de roboti.
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 18
Istoria robotilor
1966-1972 -Shakey (Stanford Research Institute)
– Primul robot mobil operand pe baza de tehnici AI.
Sarcini simple:
– Recunoastere obiecte –vedere artificiala
– Gasire traiectorie catre un obiect
– Actiuni simple asupra obiectelor (de exemplu, impingerea lor catre un loc tinta)
http://www.frc.ri.cmu.edu/~hpm/book98/fig.ch2/p027.html
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 19
Istorie Roboti
1970
– General Motors –prima companie care a
utilizat un sistem dotat cu viziunea
artificiala intr-o aplicatie industriala.
Sistemul „Consight‟ se baza pe
recunoasterea formelor obiectelor iluminate
dintr-o parte - instalat intr-o turnatorie in St.
Catherines, Ontario, Canada.
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 20
Istorie roboti
1978
– Primul robot PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) dezvoltat de Unimation pentru General Motors.
PUMA 500 … din noua generatie
http://www.antenen.com/htdocs/frame.html
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 21
Roboti Industriali instalati
2006 – aproximativ 162 000 roboti instalati in fabricile SUA
(http://www.roboticsonline.com)
Roboti instalati
165.000 noi roboti instalati in 2012, cu
37% mai mult decat in 2011.
In 2011, 22.600 noi roboti instalati in
China; Cea mai dinamica piata !
In 2011 Japonia revine in top cu
28.000 roboti instalati, cu 27% mai
mult decat in 2010.
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 22
www.worldrobotics.org
Robot Kuka ptr
operatii de sudare
cu arc electric
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 23
Utilizarile robotilor Roboti industriali
– 70% sudare si vopsire
– 20% manipulare
– 10% alte utilizari
Cercetarea vizeaza
– Controlul manipulatoarelor
– Proiectare apucator
Complianta
Mana robotizata
– Reactie in functie de informatia
vizuala si forta
– Automatizari flexibile
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 24
Arhitectura sistemelor tip ROBOT Structura Mecanica
– Model cinematic
– Model dinamic
Actionare: Electrica, Hidraulica, Pneumatica, Muschi Artificial
Controlere (regulatoare)
Senzori
Comunicare
Interfata utilizator
Sursa de putere
Senzori mediu
inconjurator
Planif.
miscare Controler
Structura
Mecanica
Configuratie
sensoriala
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 25
Categorii de roboti
Brate manipulatoare
Roboti mobili pe roti
Roboti pasitori
Structuri hibride, rezultat al asocierii brat
manipulator- baza mobila & vehicule
marine robotizate;
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 26
Brate manipulatoare
Puternica reprezentare in mediul industrial in domenii de
asamblare si mentenanta
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 27
Roboti mobili pe roti
Mobilitatea le permite
abordarea unor aplicatii
diversificate: mentenanta,
intretinere, transport etc.
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 28
Roboti pasitori
Datorita complexitatii sunt
inca in diverse stadii de
experimentare in laborator
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 29
Structuri hibride
Brat manipulator-baza mobila Vehicule marine
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 30
Arhitectura manipulatoarelor
si robotilor industriali
Sistem de programare Sursa de energie
Sistem de comanda
------------------------
Sistem senzorial
Sistem de actionare
------------------------
Structura mecanica
Mediu
Instructiuni
Comenzi
Masuratori
Observatii Actiuni
ROBOT
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 31
Arhitectura manipulatoarelor
si robotilor industriali
MEDIUL – spatiul in care
actioneaza robotul
manipulator, fiind definit
de configuratiile
geometrice si proprietatile
fizico-chimice ale
obiectelor din acel spatiu
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 32
Arhitectura manipulatoarelor
si robotilor industriali
SARCINA – o suita de
actiuni exercitate asupra
mediului, pentru
modificarea acestuia de la
o stare initiala la o stare
finala dorita.
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 33
Modulul operational
Arhitectura manipulatoarelor
si robotilor industrialiROBOT
Modulul de sesizare si decizie
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 34
Modulul operational – este
format din structura mecanica si
sistemul de actionare.
Executa actiuni asupra mediului
prin transformarea energiei
primite de la o sursa externa, pe
baza comenzilor primite de la
sistemul de comanda.
Arhitectura manipulatoarelor
si robotilor industrialiROBOT
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 35
Arhitectura manipulatoarelor
si robotilor industrialiROBOT
Modulul de sesizare si decizie –
elaboreaza comenzile pe baza :
• instructiunilor primite de la sistemul
de programare,
• observatiilor referitoare la mediu,
furnizate de sistemul senzorial
• masuratorilor efectuate asupra starii
robotului de catre senzorii interni.
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 36
Structura mecanica
Alcatuita in general din
corpuri rigide (fara
jocuri si elasticitate –
cazul ideal), legate intre
ele prin articulatii,
formand lanturi
cinematice.
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 37
Structura mecanicaIn functie de modul de
legare al corpurilor
segmentelor componente,
deosebim:
• manipulatoare cu lant
cinematic simplu deschis
• roboti manipulatori cu
structura arborescenta
• roboti manipulatori cu lant
inchis
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 38
Structura mecanicaIn functie de modul de
legare al corpurilor
segmentelor componente,
deosebim:
• manipulatoare cu lant
cinematic simplu deschis
• roboti manipulatori cu
structura arborescenta
• roboti manipulatori cu lant
inchis
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 39
Structura mecanicaIn functie de modul de
legare al corpurilor
segmentelor componente,
deosebim:
• manipulatoare cu lant
cinematic simplu deschis
• roboti manipulatori cu
structura arborescenta
• roboti manipulatori cu
lant cinematic inchis
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 40
Structura mecanica
Partea din structura
mecanica care serveste la
apucarea si deplasarea
obiectelor, se numeste
dispozitiv de
prehensiune sau efector.
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 41
Sistemul mecanic
Dispozitiv de ghidare Dispozitiv de
prehensiune
Mecanism generator de
traiectorie Mecanism de orientare
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 42
Descompunerea miscarii unui
obiect aflat in efector
FAZA 1 : Deplasarea unui punct al obiectului
manipulat, numit punct caracteristic, pe o
traiectorie oarecare prin modificarea celor trei
coordonate ale punctului caracteristic, miscare
realizata prin intermediul unui dispozitiv cu cel
putin 3 grade de libertate numit mecanism
generator de traiectorie.
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 43
Descompunerea miscarii unui
obiect aflat in efector
FAZA 2 : Deplasarea (rotirea )unei drepte,
numita dreapta caracteristica, care trece prin
punctul caracteristic, dupa o pozitie dorita.
Operatia se numeste orientare si se realizeaza
prin modificarea celor trei unghiuri Euler care
definesc pozitia dreptei caracteristice. Miscarea
se realizeaza prin intermediul mecanismului de
orientare.
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 44
Mecanisme de orientare
• Cu miscari independente
• Cu miscari dependente
• Tip “trompa de elefant”
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 45
Mecanisme de orientare
• Cu miscari independente – au cate o
unitate “motor rotativ + reductor +
arbore de legatura” pentru fiecare
cupla cinematica conducatoare, deci
pentru fiecare miscare de executat.
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 46
Mecanisme de orientare
• Cu miscari dependente – miscarile se
transmit de la motoare la elementele
cuplelor cinematice conducatoare prin
intermediul unui singur mecanism, de
obicei un tren de roti dintate diferential.
Exista o corelatie intre miscarile relative ale
diferitelor cuple cinematice conducatoare.
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 47
Mecanisme de orientare
• Tip “trompa
de elefant” – au
constructia cea
mai compacta si
asigura cel mai
mare unghi de
serviciu, dar nu
pot fi supuse la
solicitari mari.
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 48
Tipuri de articulatii
Articulatiile prezente
in cadrul
mecanismului
generator de
traiectorie sunt cuple
cinematice:
• de rotatie
• de translatie
Robot cu articulatii de rotatie
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 49
Tipuri de articulatii
Articulatiile prezente
in cadrul
mecanismului
generator de
traiectorie, acestea
sunt cuple
cinematice:
• de rotatie
• de translatieRobot cu articulatii de translatie
Tipuri de articulatii
Fiecare articulatie are un numar de grade de libertate, fiecare grad de libertate
(Degree Of Freedom - DOF in engleza) fiind de obicei controlat de un motor.
Articulatie de rotatie
1 DOF controlabil
Articulatie de translatie
1 DOF controlabil
Articulatie sferica
3 DOF controlabile
Articulatiile asigura conexiunea elementelor fizice ale bratului robotizat.
Cele mai comune tipuri de articulatii:
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 51
Spatiul de lucru
Multimea pozitiilor
pe care le poate
ocupa punctul
caracteristic
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 52
Tipuri de spatii de lucru
LINIAR – descris de punctul caracteristic al unui
mecanism realizat din doua elemente unite intr-o
singura cupla cinematica.
P P‟
Spatiu liniar
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 53
Tipuri de spatii de lucru
PLAN – descris de punctul caracteristic al unui
mecanism realizat ca un lant cinematic din trei
elemente unite prin doua cuple cinematice.
SPATIAL – descris prin intermediul unui mecanism
spatial cu cel putin 3 grade de mobilitate.
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 54
Spatiu de lucru spatial
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 55
Dispozitive de prehensiune
ROL – solidarizeaza
obiectul manipulat cu un
element al dispozitivului
generator de traiectorie
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 56
Fazele prehensiunii
• Imobilizare relativa (pozitionare)
• Centrare
• Fixare-defixare
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 57
Fazele prehensiunii
• Imobilizare relativa (pozitionare)
• Centrare
• Fixare-defixare
Faza in care se realizeaza anularea gradelor de libertate ale
obiectului in raport cu dispozitivul de prehensiune.
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 58
Fazele prehensiunii
• Imobilizare relativa (pozitionare)
• Centrare
• Fixare-defixare
Faza care asigura ocuparea de catre un anumit element geometric
al obiectului de manipulat, a unei pozitii univoc determinate fata
de un sistem de referinta legat de dispozitivul generator de
traiectorii.
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 59
Fazele prehensiunii
• Imobilizare relativa (pozitionare)
• Centrare
• Fixare-defixare
Faza in decursul careia iau nastere reactiuni intre zonele de
contact ale cuplei cinematice obiect-dispozitiv de prehensiune,
care anuleaza torsorul fortelor externe de inertie ce actioneaza
asupra obiectului.
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 60
Clasificare dispozitive de
prehensiune
Sisteme cu actiune unilaterala (ventuza, magnetice)
Sisteme cu actiune bilaterala
Sisteme cu actiune multilaterala
Tip ventuza
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 61
Clasificare dispozitive de
prehensiune
Sisteme cu actiune unilaterala
Sisteme cu actiune bilaterala
Sisteme cu actiune multilaterala
Prinderea prin presiunea a doua degete rigide
(contact in 2 puncte, 2 linii sau 2 suprafete)
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 62
Clasificare dispozitive de
prehensiune
Sisteme cu actiune unilaterala
Sisteme cu actiune bilaterala
Sisteme cu actiune multilaterala
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 63
Performante actuale
MICROTWEEZERS –
pentru manipularea
obiectelor de dimensiuni
intre 1 micron – 1 mm
Microfrabricate dintr-un
singur cristal de silicon.
Aplicatii: microchirurgie,
microasamblare a
aparatelor tehnice,
manipulare particule in
microscopie.Efector de dimensiune 2 mm
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 64
Alte tipuri de roboti
Grup de roboti de dimensiune redusa (ALLUMETE –
ETH Zurich)
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 65
Roboti pentru divertisment
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 66
Roboti pentru divertisment
ROBOTI INDUSTRIALI – CURS 1 67
Roboti de securitate
Distrugere colete
periculoase
Bibliografie
M. Poboroniuc, Controlul robotilor. Controlul
miscarii umane prin stimulare electrica
functionala , Editura POLITEHNIUM, Iasi ,
pp.261, 2004, ISBN 973-621-074-x.
L. Ciobanu- Manipulatoare si roboti industriali,
Editura Univ. Gh. Asachi Iasi, 1994.
Ivanescu M., Roboti industriali, Ed. Universitaria,
Craiova, 1994.