Roboții sunt dispozitive mecatronice. Aceștia pot fi angajați individual sau în cadrul unei celule de lucru pentru a îndeplini sarcini industriale, funcții de serviciu și treburile gospodăriei. În fiecare caz, proiectarea, dezvoltarea și selecția unui robot pentru o sarcină specifică trebuie realizate prin acordarea unei atenții deosebite considerațiilor practice, economice și sociale. În procesul de robotizare trebuie luate în considerare probleme precum cerințele procesului, disponibilitatea comercială, costurile și realitățile economice, constrângerile de timp și factorii umani.

10.3.1 Considerații generale

Aplicațiile roboților pot fi clasificate în următoarele categorii largi de activitate:

a. Mișcare punct la punct
b. Urmărire traiectorie
c. Manevrare locală/fină

O sarcină specifică poate avea nevoie de o combinație a acestor activități. Urmează câteva exemple: amestecarea și distribuirea medicamentelor (activitățile a și c), asistarea unei persoane cu dizabilități pentru a merge (activitățile b și c), aspirarea unei podele (activitatea b), încărcarea și descărcarea pieselor către și de la mașini-unelte (activitatea a), înlocuirea uneltelor (activitățile a și c), sudarea în puncte (activitatea a), sudarea cusăturii (activitatea b), turnarea în matriță (activitatea c), aplicarea etanșării (activitate b), ambalarea (activități a și c) și inspecția produsului (activitățile a și c). Există multe avantaje ale utilizării roboților în aplicații practice. Acestea includ flexibilitatea îmbunătățită a sarcinilor, eliminarea forței de muncă umane de calitate scăzută, productivitatea crescută, calitatea îmbunătățită a produselor, utilizarea îmbunătățită a mijloacelor de producție, reducerea pericolului, robustețe la factorii economici externi (de exemplu, inflația), operare non-stop și la cerere, gestionarea mai bună a stocurilor, o mai bună planificare a producției, competitivitatea și flexibilitatea producției sporite, îmbunătățirea mediului de muncă și îmbunătățirea generală a calității vieții. Dar, înainte de robotizarea unei sarcini, este necesar să se evalueze mulți factori precum adecvarea, fezabilitatea, limitările de timp ale producției, costurile și beneficiile. Într-o aplicație industrială, de exemplu, este recomandabil să se efectueze următoarele studii.

1. Evaluarea instalației pentru sarcini de aplicare potențială a roboticii

Aici, ar trebui luate în considerare nivelul și natura automatizării (automatizare rigidă versus flexibilă), nivelul necesar de flexibilitate a producției (de exemplu, piese la cerere), gradul de structură în funcționare și mediul instalației (pentru procese extrem de structurate și fixe, automatizarea rigidă fără roboți ar putea să fie mai adecvată), mediul de lucru (de exemplu, pericole potențiale, ușurința pentru utilizator), ratele și volumele de producție dorite și existența unor aplicații similare dovedite (pe site sau oriunde).

2. Determinarea caracteristicilor roboților necesari pentru aplicația specifică

Considerații importante în acest context includ sarcina utilă, viteza/lățimea de bandă de operare, acuratețea (repetabilitate, precizie, rezoluție etc.), anvelopa de lucru (accesibilitate), metoda de acționare (servomotoare DC sau AC, motoare pas cu pas, hidraulică, pneumatică), structura robotică dorită (grade de libertate, articulații revolute sau prismatice și în ce combinație), cerințe ale efectorului final (dispozitiv de prindere, mână, scule, senzori și caracteristicile obiectelor care trebuie manevrate), metoda de control (servo, adaptativ, ierarhic etc.), cerințe de instrumentare (senzoriale, monitorizare, achiziție de date, accesorii, control și coordonare), mediu de operare (umiditate, substanțe chimice, pericol de incendiu, praf, temperatură etc.),și disponibilitatea comercială a tipurilor dorite de roboți.

3. Studierea cerințelor de instalare a robotului și consecințele acestora în funcționarea instalației

Considerațiile relevante vor include utilitățile necesare (DC sau AC, putere monofazată sau trifazată, aer comprimat etc.), cronometrarea instalării (timpul de oprire al operațiilor, cerințele produsului etc.), alte utilaje din celulele de lucru (interfațare, comunicare, rețea, control etc.), dispunerea instalației (integrare cu materie primă, produs, planuri de flux ale instrumentelor, servicii, interacțiunea operatorilor și interfețele, siguranța etc.) și personal (instruire, programare, întreținere, funcționare etc.).

4. Efectuarea unei analize economice

Aceasta este o evaluare cost-beneficiu, ținând cont de considerente precum disponibilitatea de unități gata-de-folosire, investiții de capital, timp de oprire, eficiență, reducerea deșeurilor, reducerea forței de muncă, costuri de exploatare și rata de rentabilitate a investițiilor.

În mod specific, costurile de achiziție și instalare a robotului, durata de viață utilă, întreținerea , serviciile și costurile de utilități, deprecierea și costurile bănești ar trebui considerate în analiză. Se poate estima, de exemplu, că costul orar aproximativ al forței de muncă a crescut destul de exponențial de la 6,00 USD în 1975 la 35,00 USD în 2004, în timp ce costul orar aproximativ al funcționării unui robot a crescut doar de la 4,00 USD la 8,00 USD în aceeași perioadă. Primul cost continuă să crească, iar cel de-al doilea rămâne constant.

5. Abordarea considerațiilor privind relațiile umane

Aici, trebuie luate în considerare relația dintre lucrători și conducere, pierderea locurilor de muncă din cauza automatizării, pierderea masivă a locurilor de muncă din cauza închiderii uzinei (fără automatizare), ineficiența, recalificarea lucrătorilor și reprezentarea sindicală.

10.3.2 Selecția robotului

Selectarea celui mai bun robot pentru o sarcină dată este un pas crucial în aplicația robotică. În mod clar, termenul „cel mai bun” este utilizat în setul de constrângeri care guvernează problema; de exemplu, costul, momentul instalării și operarea și disponibilitatea hardware-ului și a personalului. Pentru sarcini de precizie (de exemplu, fabricarea produselor cu toleranță fină), este important să vă asigurați că specificațiile de acuratețe (incluzând repetabilitatea și rezoluția de mișcare) pot fi îndeplinite. În astfel de aplicații, integritatea și rezistența structurală (de exemplu, rigiditatea robotului) ar fi, de asemenea, considerente principale. Alte aspecte, cum ar fi controllerul și arhitectura acestuia (de exemplu, deschisă și programabile de utilizator la nivel-scăzut), compatibilitatea și ușurința comunicării cu alte utilaje și controllerele lor în operare coordonată (de exemplu, în celule de lucru), efectoarele finale necesare, instrumentele, dispozitivele, instrumentația, ușurința programării și atitudinea prietenoasă cu operatorii ar fi importante. Cerințele speciale (de exemplu, sarcini curățare cameră) pot necesita modificări personalizate și calificări ale componentelor/ sistemului (adică, analiză și/sau testare pentru a evalua și determina adecvarea aplicației specifice). Un set tipic de pași care ar fi urmați în selectarea unui robot industrial este prezentat mai jos:

1. Definiți sarcinile care urmează să fie efectuate de robot

În primul rând, ar fi adecvată o descriere verbală a secvenței sarcinilor (de exemplu, alegeți un bec de la transportor, inspectați defecțiunile, decideți o categorie, așezați-l în coșul potrivit). În continuare, secvența de mișcare trebuie definită într-o formă cantitativă/analitică, de exemplu, dând secvențe de timp și/sau traiectorii pentru setul de acțiuni.

De asemenea, definiți secvențele de timp pentru sarcini staționare (de exemplu, apucați obiectul, eliberați obiectul, așteptați piesa). Ar trebui specificate și toleranțele de eroare.

2. Dezvoltați specificații robot pentru sarcini

De exemplu, anvelopa de lucru, limitele de viteză și timpul de ciclu, capacitatea de forță și sarcină utilă, repetabilitatea și rezoluția de mișcare trebuie specificate pentru robot.

3. Identificați structura mecanică necesară pentru robot

Trebuie luate în considerare numărul necesar de grade de libertate, tipul de combinație a articulației (de exemplu, robotul SCARA cu trei articulații revolute și o articulație prismatică), mișcări ale efectorului final necesare (de exemplu, rotații complete sau parțiale, curse ale mișcărilor liniare) și lungimi ale membrelor rigide ale robotului.

4. Identificați prioritățile senzorului și actuatorului

Natura sistemului de acționare dorit pentru fiecare articulație (de exemplu, transmisiune fără recul sau acționare armonică cu servomotor AC, articulație cu acționare directă) și preferințele senzoriale asociate (de exemplu, encodere optice incrementale, resolvere, senzori de cuplu de articulație) trebuie identificate cât mai complete posibil.

5. Identificați cerințele efectorului final

În funcție de sarcinile așteptate, ar putea fi nevoie de o varietate de efectori finali. Operațiile simple de prindere pot avea nevoie de prinderi de bază cu două degete. Sarcini mai sofisticate ar necesita mâini robotice, scule și dispozitive personalizate cu dexteritate adecvată, rezoluție de mișcare, rezoluție de forță și senzori (de exemplu, senzori tactili, de cuplul și forță la încheietura mâinii, optici și ultrasonici).

6. Identificați cerințele de control și programare

Decideți dacă programarea singură a sarcinilor la nivel-înalt este adecvată sau dacă este necesară o programare directă la nivel scăzut a controllerelor de articulație. De asemenea, în funcție de operatorii și programatorii așteptați, decideți nivelul de dificultate dorit de programare. De asemenea, trebuie stabilite necesitățile de comunicare și interfațare și compatibilitatea cu alte dispozitive și instrumente care interacționează; de exemplu, atunci când robotul este de așteptat să facă parte integrantă a unui sistem mai mare, cum ar fi o celulă de lucru.

7. Identificați nevoile interfeței de utilizator

Aceasta este oarecum legată de articolul 6 de mai sus. Trebuie luată în considerare o interfață grafică de utilizator (GUI) care se potrivește aplicației specifice. În general, trebuie să fie ușor de utilizat cu mijloace simple de intrare/ieșire, cum ar fi ecrane tactile, activare vocală și comandă scrisă manual, în special când sunt implicați utilizatori nesofisticați din punct de vedere tehnologic.

8. Decideți un buget și contactați furnizorii

Dacă un robot adecvat este disponibil comercial în buget și în termenul necesar, selecția ar fi simplă. În caz contrar, mai multe iterații ale specificațiilor și identificării robotului ar fi necesare și de fiecare dată unele dintre specificații ar avea nevoie de relaxare/ modificare.

10.3.2.1 Roboți comerciali

Sarcina selectării unui robot este mult simplificată dacă specificațiile cerute se potrivesc cu cele ale unui robot disponibil comercial. Un set tipic de roboți comerciali și unele specificații utile atribuite acestora sunt enumerate în tabelul 10.2. Deoarece un efector final trebuie ales separat și nu vine de obicei cu robotul, sarcina utilă indicată în tabel include greutatea efectorului final. Repetabilitatea unui robot specifică cât de exact poate atinge un robot un punct comandat în spațiu. O eroare de repetabilitate poate rezulta din factori precum fricțiunea Coulomb, recul și controlul deficitar și este unul dintre mulți factori care determină acuratețea generală a unui robot. Acuratețea în sine va depinde de considerente precum viteza de operare, sarcina utilă și traiectoria specifică a mișcării. Rezoluția unui robot, ca și repetabilitatea, este o limită inferioară pentru acuratețe și reprezintă cel mai mic increment de mișcare care poate fi executat. Din nou, rezoluția poate depinde de factori precum fricțiunea, reculul, perturbările necunoscute, rezoluția traductoarelor de mișcare digitale, cum ar fi encodere, dimensiunea bitului unei comenzi de control și pentru un robot care utilizează motoare pas cu pas, dimensiunea pasului a mișcării incrementale.

TABEL 10.2 Date pentru câțiva roboți comerciali

Adesea, ceea ce este dat în specificațiile de produs ale roboților comerciali este viteza fără sarcină. O specificație mai semnificativă este durata ciclului pentru un ciclu specificat de preluare și plasare, atunci când transportă sarcina utilă specificată. Mai exact, presupunând un profil de viteză triunghiular, în care robotul accelerează constant din repaus după „preluare” pentru a atinge viteza de vârf și apoi frânează constant până la punctul „de plasare”, viteza maximă vpeak este dată de

unde
t este timpul ciclului
Δℓ este distanța de preluare și plasare

Accelerația (și frânarea) corespunzătoare este dată de

Dacă sarcina utilă este M, forța fe exercitată la efectorul final pentru accelerația constantă până la viteza maximă este dată de

Capacitățile robotului, așa cum sunt specificate de timpul ciclului, sarcina utilă, viteza maximă de funcționare și forța la viteza maximă și accelerația constantă trebuie să se potrivească cu cerințele sarcinii robotice.

Ca exemplu, considerați un robot care este capabil să execute o operațiune de preluare și plasare pe o distanță de 0,5 m în mai puțin de 1,0 s, purtând o sarcină utilă de 30 kg. Presupuneți că are o rezoluție de ± 0,01 mm și o repetabilitate de ± 0,05 mm. Puteți determina viteza maximă de operare a robotului atunci când transportă o sarcină utilă de 30 kg. De asemenea, puteți determina forța maximă care poate fi exercitată de efectorul final al robotului la viteza maximă de operare.

Aici, Δℓ = 0,5 m și Δt = 1,05. Prin urmare, din Ecuația 10.1 avem

care este viteza maximă de operare cu sarcina utilă. Din ecuația 10.2,

Din ecuația 10.4, fe = 30 × 2.0 = 60.0 N.

Aceasta este forța maximă care poate fi exercitată de efectorul final.

10.3.3 Celule de lucru robotizate

O celulă de lucru robotizată este un grup de utilaje (numite generic mașini-unelte), cum ar fi dispozitivele de îndepărtare a materialelor (de exemplu, freze , strunguri, bormașini, perforatoare, dispozitive de debitare CNC= computer-numerical-control), echipamente de manipulare a materialelor (de exemplu, transportoare, macarale portante, mese de poziționare, vehicule ghidate automat sau AGV-uri) împreună cu unul sau mai mulți roboți care lucrează împreună pentru a atinge un obiectiv de sarcină comun sub supravegherea și controlul unui computer gazdă al celulei. Fiecare mașină-unealtă va fi controlată de propriul său controller, dar va comunica și va fi coordonată de computerul gazdă al celulei. Supervizorul celulei este un program de nivel înalt care rulează pe gazda celulei. Un sistem de producție/fabricație, instalație de proces sau fabrică poate fi format din două sau mai multe celule de lucru, care comunică între ele printr-o rețea locală (LAN) sub supravegherea unui computer de control al sistemului. Rețineți că mașinile-unelte și roboții funcționează sub propriile controllere care rulează propriile lor programe (de exemplu, programe de piese CNC și programe de secvență de mișcare/operare robot) la comanda, coordonarea și supravegherea de către gazda celulei. Piesele și mișcarea materialelor din interiorul unei celule de lucru sunt ghidate de gazda celulei. În timpul unei rulări a pieselor, este foarte puțină comunicare cu computerul de control al sistemului.

Funcționarea autonomă este o caracteristică dorită pentru o celulă de lucru robotizată. În acest context, o celulă de lucru ar trebui să-și poată îndeplini sarcina fără a se baza pe asistență externă. În special, ar fi de dorit operare fără echipaj și automată, flexibilitate și capacități de auto-reconfigurare, auto-reparare, învățare și adaptare. De asemenea, ar fi nevoie de senzori inteligenți, controllere inteligente, mașini unelte programabile și structuri de comunicare și control eficiente. Considerațiile referitoare la protocolul de rețea și comunicare sunt esențiale aici.

Filozofia de proiectare pentru celulele de lucru robotice se bazează în principal pe flexibilitate și autonomie. Pentru a obține flexibilitate, ar fi necesară utilizarea unor componente programabile și modulare, împreună cu arhitecturi de comunicare și control care permit restructurarea rapidă. În consecință, celulele de lucru robotizate se încadrează în categoria automatizării flexibile. Pentru funcționare autonomă, ar fi nevoie de senzori care să obțină informațiile necesare despre fiecare componentă a celulei de lucru și a mediului său, precum și sisteme de control inteligente care pot face față condițiilor necunoscute și neașteptate, cu capacități de auto-reconfigurare și reparație. Ar fi de dorit comunicație și control structurat, în special o arhitectură de control ierarhic în care informațiile și semnalele de control necesare pot fi legate de un strat specific și bine definit și unde straturile inferioare pot fi modificate cu un efect redus asupra straturilor superioare. Ar trebui să se acorde o toleranță pentru ușurința modernizării și extinderii celulei de lucru. Componentele standard și programabile, care sunt compatibile cu rețeaua de instalații și protocoalele de comunicație asociate și a căror funcționare poate fi definită în raport de caracteristicile de intrare-ieșire, ar ajuta la simplificarea integrării celulei de lucru, înlocuirii componentelor și modificării celulei de lucru. Următoarele linii directoare pot fi urmate în proiectarea și dezvoltarea unei celule de lucru robotizate:

1. Identificați sarcinile și cerințele de proces ale celulei de lucru (rate de producție, toleranțe etc.). Atingeți un compromis între flexibilitatea produselor și rata de producție.

2. Identificați cerințele mașinii-unelte și robotului, limitând, dacă este posibil, la unități existente sau disponibile comercial.

3. Celula de lucru inițială nu trebuie să fie pe deplin autonomă. Integrați oamenii, dacă este posibil.

4. Dezvoltați o arhitectură a celulei de lucru. Folosiți topologie și protocoale de comunicații de rețea simplă și tehnologie de computer și hardware existente.

5. Identificați accesoriile necesare, cum ar fi gripper-e, dispozitive de prindere, senzori și instrumentația. Utilizați componente simple și off-the-shelf (gata de utilizare) cu cerințe de interfață simple, atunci când este posibil.

6. Modificați și îmbunătățiți componentele și controllerele existente (de exemplu, prin adăugarea de senzori, procesoare, memorie, software), după cum este necesar și posibil.

7. Identificați componentele critice ale celulei de lucru și luați în considerare posibilitatea de a încorpora surplus de software sau hardware.

La proiectarea unui sistem de producție flexibil cu mai multe celule de lucru, trebuie făcută o analiză pentru a determina cererea de volum de muncă pentru fiecare componentă în condiții normale de operare. Atunci, în selectarea componentelor celulei de lucru, capacitatea componentelor trebuie să fie mai mare sau egală cu cererea volumului de muncă și trebuie să vă asigurați pentru a atinge un echilibru oarecum optim între aceste două nivele. Un sistem dinamic de restructurare cu capacități de monitorizare, control și reprogramare corespunzătoare va putea realiza acest lucru. Dacă există o capacitate în exces în fiecare componentă, poate fi posibil să se partajeze componente comune în sau între celulele de lucru, eliberând astfel componente adecvate care funcționează mult sub capacitatea lor. De asemenea, dacă este prezentă supraîncărcarea unei component, o procedură similară poate fi utilizată pentru a împărți suprasarcina între componentele partenere care operează sub capacitate.

10.3.4 Proiectare și dezvoltare robot

Etapele principale ale proiectării și dezvoltării unui robot personalizat pot fi date după cum urmează:

1. Ajungeți la specificații cinematice (mișcare) și dinamice (mișcare-forță/cuplu) pentru gama de sarcini care trebuie îndeplinite de robot. Vor fi necesare modelare și analiză.

2. Determinați cerințele geometrice (de ex., grade de libertate, articulații revolute și/sau prismatice, lungimea legăturilor, rezoluție de mișcare și acuratețe) pentru robot, pe baza specificațiilor cinematice ale sarcinii. Modelarea și analiza vor fi necesare.

3. Determinați cerințele geometrice pentru efectorul final. Modelarea și analiza vor fi necesare.

4. Determinați cerințele dinamice (forțe și cuplu) pentru efectorul final și articulațiile robotice pe baza specificațiilor dinamice. Modelarea și analiza vor fi necesare.

5. Selectați actuatoarele (tipul, sarcina, mișcarea și capacitățile de putere) dintre unitățile disponibile comercial pentru a se adapta cerințelor cinematice și dinamice. Analiza și proiectarea vor fi necesare.

6. Dacă sunt disponibile, actuatoarele cu acționare directă nu pot corespunde cerințelor. Selectați unitățile de transmisie a mișcării (pot fi disponibile ca integrate cu actuatoarele) pentru a satisface cerințele. Analiza și proiectarea vor fi necesare.

7. Selectați sistemele de acționare și sursele de alimentare potrivite pentru actuatoare.

8. Selectați platforma de control digital pentru robot. Aceasta poate include computerul de control, hardware-ul de intrare/ieșire și software-ul, interfața cu utilizatorul și alte nevoi de comunicare.

9. În afară de senzorii furnizați cu actuatoarele (de exemplu, encodere, tahometre, resolvere), determinați ce alți senzori sunt necesari pentru sarcini (de exemplu, senzori de proximitate, senzori ultrasonici, optici și de vedere) și selectați-i dintre unitățile disponibile comercial pentru a îndeplini cerințele (de sarcină, acuratețe, rezoluție, lățime de bandă etc.).

10. Decideți un proiect preliminar pentru robot și efectuați un exercițiu de analiză/simulare a modelului pentru a valida proiectul. Ajustați fin proiectul (este posibil ca unele dintre etapele anterioare să fie repetate aici) pentru a respecta specificațiile.

11. Achiziționați/construiți componentele pentru sistemul robotizat. Asamblați/integrați sistemul robotic.

12. Testați robotul și comparați cu simulările pe computer. Efectuați îmbunătățiri suplimentare pe baza rezultatelor testelor.

10.3.4.1 Robot prototip

Ni s-a oferit sarcina de a dezvolta un robot de laborator la Universitatea din Columbia Britanică pentru utilizare în cercetare și dezvoltare, în special în robotica spațială. Manipulatorul dezvoltat poate fi utilizat pentru a evalua, prin experimente în timp real, eficacitatea unei varietăți de proceduri de control pentru posibila lor aplicare în sisteme bazate pe spațiu. Manipulatoarelei robotice joacă un rol important în explorarea spațiului datorită mediului dur în care trebuie să opereze și provocărilor asociate acestuia. Sarcinile lor includ captarea și eliberarea de nave spațiale, manevra sarcinii utile și sprijinirea activităților extra-vehiculare (EVA). Un exemplu este sistemul de întreținere mobil (MSS), contribuția Canadei la proiectul Stației Spațiale Internaționale.

După un studiu preliminar, am decis să dezvoltăm un robot neconvențional format din mai multe module conectate în serie, fiecare modul constând dintr-o articulație revolute (slewing) și o articulație prismatică (de desfășurare). Proiectul robotic particular este denumit sistem manipulator de desfășurare multi-modul (MDMS). Un robot de acest tip oferă câteva caracteristici utile în raport cu dinamica și controlul, peste modelele de manipulator convențional care implică doar articulații revolute:

• Cuplarea inerțială redusă, pentru același număr de articulații

• Capacitate mai bună de a depăși obstacolele

• Un număr redus de poziții singulare pentru un număr dat de articulații

• Luarea deciziilor mai simplă în timpul executării sarcinilor

Am dezvoltat un model dinamic, neliniar, detaliat pentru robot bazat pe cerințele sarcinii; s-au efectuat analize ample și simulări pe calculator; a fost proiectat și dezvoltat robotul; a fost implementată o varietate de scheme de control; și s-a testat extensiv robotul prototip.

10.3.4.2 Proiectare robot

În procesul dezvoltării actualului manipulator cu patru module, am dezvoltat mai întâi un manipulator cu geometrie variabilă cu două module (VGM). Prin experiența de lucru cu acest prototip inițial, noul sistem cu patru module a fost dezvoltat astfel încât să obțină următoarele: un nivel mai ridicat de rigiditate în conexiunile articulațiilor; dimensiuni, greutate și inerție reduse; timp redus la magazin; și ușurința în construcție, asamblare și întreținere. În plus față de aceste criterii, componentele mecanice și electrice au fost alese utilizând o abordare mecatronică bazată pe caracteristicile lor de performanță, cum ar fi puterea, viteza, acuratețea, fiabilitatea și robustețea. În figura 10.5 este prezentată o imagine a manipulatorului dezvoltat. Începând din partea de sus a imaginii, montat sub placa de lemn se află un motor DC pentru mișcarea articulației umărului. Fiecare dintre articulațiile ulterioare ale cotului este, de asemenea, echipată cu un motor DC pentru mișcarea de rotație. Între articulațiile cotului se află legăturile de desfășurare. Fiecare legătură, care își poate varia lungimea, oferă nu numai un grad suplimentar de libertate, ci și o versatilitate și o manevrabilitate sporite acestui braț robot. În plus, fiecare articulație a cotului este prevăzută cu un suport de rulare cuprinzând transferuri cu trei bile, care rulează lin pe o bancă cu o suprafață de oțel. Prototipul are următoarele caracteristici principale și specificații: fiecare articulație la cot este prevăzută cu un suport de rulare cuprinzând trei transferuri de bile, care rulează lin pe o masă cu o suprafață de oțel. Prototipul are următoarele caracteristici principale și specificații:

• Este un manipulator robot planar, cu 8 axe, cu patru module, fiecare constând dintr-un link (element rigid) rotativ și un link de desfășurare
• Folosește suporți de rulare pe o suprafață plană pentru a compensa greutatea
• Extensia maximă a fiecărui link de desfășurare este de 15 cm (≈6 in.)
• Accelerația maximă de 0,08 m/s² la o sarcină utilă de proiectare de 5 kg
• Viteza maximă de rotație = 60°/s
• Viteza maximă de desfășurare = 4 cm/s
• Sistem de control bazat pe PC pe care poate fi implementată o varietate de strategii de control

FIGURA 10.5 Prototipul MDMS

Extensia de 15 cm oferă o variație suficientă în lungime pentru a demonstra performanța îmbunătățită caracteristic datorită articulațiilor prismatice. Suporții de rulare sunt o caracteristică importantă, deoarece în configurația complet extinsă, manipulatorul induce o sarcină mare de îndoire la fiecare unitate, în special la articulația umărului. Spațiul de lucru al manipulatorului prototip este un cerc cu diametrul de aproximativ 4,5 m.

În construcția manipulatorului sunt folosite două categorii de componente: cele disponibile comercial (furnizate de producători/ furnizori externi) și cele proiectate și prelucrate în interior. Selectarea componentelor din prima categorie este concentrată aici. Ultimul tip de componente include piese prelucrate precum baza, suporții pentru motoare și suporții de articulații și sunt făcuți din aluminiu 6061 pentru densitatea sa mică de masă (ρAl = 2710 kg/m³), rezistență (putere de randament = 255 MPa) și o prelucrabilitate ridicată.

10.3.4.3 Selectarea/dimensionarea actuatorului

Manipulatorul a fost construit folosind patru servomotoare DC cu acțiune armonică de la HD Systems Inc. pentru legăturile revolute și patru actuatoare liniare de putere I (PPI) de la Dynact Inc. pentru legăturile de desfășurare. Actuatoarele electromagnetice au fost alese ca opuse la actuatoarele hidraulice sau pneumatice datorită simplității, disponibilității, costurilor mai mici și ușurinței de integrare și control. Aceste actuatoare sunt potrivite în special pentru efectuarea sarcinilor ușoare în experimente de laborator cu ajutorul robotului. Prototipul robotului nostru mai vechi format din două module (VGM) folosește servomotoare DC cu transmisii de angrenare convenționale. Problemele rezultate includ greutatea crescută, zgomotul și reculul angrenajului, care contribuie la neliniaritatea sistemului, ceea ce face ca problema controlului mai dificilă. Echipamentele de angrenare cu recul redus sunt cu 25% –50% mai scumpe. Servomotoarele cu acțiune directă elimină problemele de recul și de zgomot. Însă, dimensiunea și greutatea unităților disponibile pentru noi nu au îndeplinit cerințele actuale de proiectare. Actuatoarele cu acțiune armonică, care sunt practic fără recul și sunt disponibile în pachete compacte, asigură acuratețe și rigiditate pozițională ridicate. Controlul precis al mișcării poate fi efectuat cu ajutorul acestora. Mai mult, aceste actuatoare au o capacitate mare de cuplu și sunt cu 10% -30% mai puțin scumpe decât unitățile servomotoare angrenate convențional.

TABEL 10.3 Cuplul de proiectare calculat pentru articulații de rotație

La fel ca în VGM cu două module, noul prototip manipulator folosește și el un mecanism cu șurub cu bilă pentru legăturile sale prismatice (de desfășurare). Având în vedere câteva caracteristici atractive, servomotoarele liniare cu acțiune directă au fost luate în considerare pentru aceste legături, dar dezavantajul lor principal este ansamblul magnetic greu, care nu a satisfăcut criteriile noastre de proiectare. De asemenea, ele au, în general, un raport forță-tracțiune/greutate mai mic în comparație cu actuatoarele cu șurub cu bilă. Actuatoarele cu șurub cu bilă cu piulițe de acționare care au un recul foarte mic sunt disponibile ca pachete integrate de la Dynact Incorporated în Orchard Park, New York. Fiecare actuator include un servomotor DC, un mecanism cu șurub cu bile, un arbore de desfășurare și un encoder optic pentru detectarea și feedback-ul poziției unghiulare. Timpul în atelierul de reparații a fost mult redus, de asemenea, cu aceste pachete integrate. Carcasa actuatorului și arborele extensibil sunt realizate din aluminiu de calitate aeronautică, format și prelucrat, și sunt rezistente și ușoare. În plus, actuatoarele încorporează întrerupătoare reed magnetice pentru a le proteja împotriva depășirii cursei atât în ​​poziții de extindere, cât și de retragere. Șuruburile de acționare ale actuatoarelor liniare sunt disponibile fie sub formă de filet ACME, fie cu bilă. Șuruburile de tip filet cu bile au fost selectate în prototipul actual datorită eficienței ridicate, a ciclului de lucru ridicat, a frecării scăzute, a duratei de viață îndelungate și a capacității de sarcină și de viteză ridicate. Pentru șurubul cu bilă pot fi alese și piulițe opționale cu recul mai mic.

Modelele comerciale specifice pentru actuatoarele cu legătură revolute au fost selectate pe baza cerinței de cuplu și de viteză. Cuplul de proiectare calculat este format din trei părți: cuplul de acționare pentru sarcina condusă, cuplul de rezistență în rulmenți și cuplul de rezistență contribuit de suporturile de rulare cu transfer cu bilă. Este necesar ca mișcarea articulației revolute să poată atinge o viteză de 60°/s. Cerințele de cuplu de proiectare calculate pentru cele patru actuatoare ale articulațiilor de rotire, începând de la articulația umărului, sunt enumerate în tabelul 10.3. Cu aceste valori ale cuplului și cerința de viteză, actuatoarele cu acțiune armonică au fost selectate prin raportarea la curbele de turație-cuplu, așa cum sunt furnizate de producător (vezi Capitolul 7) și sunt enumerate în tabelul 10.4.

TABEL 10.4 Actuatoare selectate pentru articulații de rotație și caracteristicile lor

Pentru legăturile de desfășurare (deploying links), tracțiunea proiectului constă în forța motrice a sarcinii utile și forța de a depăși frecarea dintre sarcina acționată și suprafața de lucru. Valoarea maximă necesară a fost calculată pentru a fi de 92,0 N. Au fost selectate actuatoarele lineare PPI, care corespund celui mai mic model de acționare directă (in-line) de la Dynact. Cu un motor standard, actuatorul poate produce o tracțiune maximă de 550.0 N. Pentru a reduce masa motorului, au fost folosite motoare nestandard, mai mici. Pentru a acționa actuatoarele liniare au fost alese servomotoare DC model 14201 de la Pittman care sunt mai mici și mai ușoare, dar îndeplinesc cerințele de cuplu-viteză. Sunt cu 50% mai ușoare decât motoarele standard PPI. Unele caracteristici ale acestui servomotor sunt prezentate în tabelul 10.5.

TABEL 10.5 Caracteristicile unui link (membru rigid) de desfășurare

10.3.4.4 Proiectare finală

După ce au dimensionat și selectat actuatoarele pentru MDMS, componentele rămase, suporții de montare și conectorii au fost proiectați cu ajutorul unui pachet software CAD. Modelul CAD asamblat este arătat în figura 10.6. Placa de bază este placa de lemn din figura 10.5.

FIGURA 10.6 Modelul CAD al prototipului MDMS

Modulele unu la patru sunt actuatoarele PPI. Întregul manipulator este montat pe o placă de bază atașată la un cadru de oțel. Rețineți că modulele doi până la patru au același tip de conexiune la modulele adiacente. Prin urmare, sistemul poate fi ușor redus la un manipulator cu două sau trei module pentru studii experimentale specifice. Placa de fixare pentru actuatorul articulației umărului dispune, de asemenea, de patru șuruburi de legătură pentru nivelarea sistemului de manipulare. În ansamblu, noul model de prototip manipulator s-a îmbunătățit în ceea ce privește rigiditatea și compactitatea față de înaintașul său, VGM.

Un desen detaliat al uneia dintre articulațiile revolute este prezentat în figura 10.7. Articulația este construită cu două canale în formă de C conectate prin rulmenți cu bile și conectori ca arbore prelucrat. Conectorul modulului integrează brațul dearticulare la capătul arborelui de desfășurare al modulului anterior printr-un știft conic. Conectorii și canalele sunt prelucrate din aluminiu. Mărimea și greutatea articulației sunt reduse prin practici de proiectare atentă. De exemplu, dimensiunea canalului exterior a fost minimizată, permițând doar un spațiu suficient pentru motorul de acționare liniară și conexiunea electrică (care nu este prezentată în figură) pentru mișcarea necesară. Mai mult, lungimea flanșei canalului a fost redusă la minimum; prin urmare, grosimea flanșei nu trebuie să fie prea mare pentru a realiza o structură rigidă. Cu actuatorul liniar PPI montat pe canalul mai mic din interior, legătura de rotire se rotește în raport cu canalul exterior. Sunt instalați doi rulmenți cu bile în caneluri adânci, unul pe placa superioare și și unul pe cea inferioară, pentru a sprijini legătura de rotire. Conectorul motorului este atașat la actuatorul angrenajului de acționare armonic și este fixat cu două șuruburi. Două șuruburi sunt utilizate pentru a preveni o posibilă declanșare în timpul funcționării. Suportul de rulare cu transferuri de bilă este atașat pe placa de jos a articulației.

FIGURA 10.7 Detalii despre o articulație revolutivă

10.3.4.5 Amplificatoare și surse de alimentare

Toate actuatoarele sunt acționate de servoamplificatoare modulate cu lățimea impulsului (PWM) tip perie și surse de alimentare de la Advanced Motion Controls (AMC) din Camarillo, California. Amplificatoarele și sursele de alimentare au fost selectate pentru a se potrivi cu actuatoarele. De exemplu, actuatorul de acționare armonică la bază are următoarele valori nominale:

• Tensiune nominală = 75 V
• Curent nominal = 1,9 A
• Curent maxim = 4,8 A
• Moment nominal de ieșire = 24 N · m
• Viteza nominală de ieșire = 30 rpm
• Momentul maxim de încărcare continuă = 28 N · m
• Cuplu maxim = 84 N · m
• Acuratețea poziționării motorului = 1,0 arc-min
• Raport de transmisie (acțiune armonică) = 1: 100
• Rezoluție encoder optic = 500 P/rev

Amplificatorul AMC PWM model 12A8 selectat pentru a acționa acest actuator are următoarele valori nominale:

• Tensiune de alimentare DC = 20–80 V
• Curent maxim (2s maxim limitat intern) = ± 12 A
• Curent continuu max. (limitat intern) = ± 6 A
• Frecvența de comutare = 36 kHz
• Lățime de bandă = 2,5 kHz

Atât gama tensiunii de alimentare DC, cât și curentul de vârf satisfac nevoile motorului. Curentul continuu al amplificatorului (± 6 A) este mai mare decât curentul nominal al motorului. Mai mult decât atât, lățimea de bandă de operare a amplificatorului, la 2,5 kHz, este mult mai mare decât cea necesară pentru o sarcină robotică tipică (de exemplu, 125 Hz). Sursa de alimentare, model AMC PS16L30, are următoarele valori nominale:

• Tensiunea de alimentare = 120 VA
• Tensiune nominală de ieșire = 30 VDC
• Curent nominal de ieșire = 53 A

Tensiunea de ieșire a sursei de alimentare corespunde gamei de operare a amplificatorului. De asemenea, curentul continuu de ieșire al sursei de alimentare (53 A) este suficient chiar și pentru opt motoare (un total de 14 A) sau opt amplificatoare (un total de 48 A). Cu excepția, când acționarea actuatorului este bazată pe un semnal de comandă de la computerul de control, fiecare amplificator este capabil să primească semnale de sfârșit de cursă de la întrerupătoarele reed magnetice, care sunt montate pe actuatoarele liniare, pentru a deconecta alimentarea de la actuatoare liniare.

10.3.4.6 Sistem de control

Sistemul de control este prezentat schematic în figura 10.8. Mișcarea controlată a sistemului prototip de manipulator se realizează folosind encodere optice ca senzori de feedback, care vin integrate cu actuatoarele, o placă de achiziție a datelor și un computer compatibil IBM-PC. Pentru a implementa diferiți algoritmi de control pe acest sistem de manipulare robotică, a fost creat un sistem de control în timp real cu arhitectură deschisă, folosind un card I/O servo cu 8 axe, magistrală ISA de la Servo To Go, Inc. din Indianapolis, Indiana. Această placă de achiziție a datelor prezintă următoarele funcționalități:

• Opt canale de intrare a encoderului de până la 10 MHz rata de intrare
• Opt canale cu ieșire analogică de 13 biți în intervalul +10 la -10 V
• Temporizatoare de intervale capabile de întrerupere PC
• Interval cronometru programabil la 10 min în pași de 25 μs
• Adresa de bază a plăcii determinată automat fără un fișier de configurare
• Numărul IRQ poate fi selectat prin software, adică nu este necesar un jumper board

Pentru control în timp real, cardul cu opt axe a fost inițial operat sub sistemului de operare QNX în timp-real. Driverele necesare și biblioteca de funcții sunt disponibile în limbajul C de la Quality Real-Time Systems (QRTS) din Falls Church, Virginia. Programele controller au fost scrise în limbaj C. Programul de control servește, de asemenea, ca manager schimb de date și coordonatorul următoarelor funcții: setarea vitezei de eșantionare, achiziționarea semnalelor de la encoder și trimiterea de semnale de comandă către amplificatoare prin canalele de conversie digital-analogică (DAC).

FIGURA 10.8 Sistemul de control al robotului

Prototipul MDMS utilizează un singur computer gazdă pentru dezvoltarea și implementarea sistemului său de control. Aceasta permite depanarea mai ușoară și modificarea mai rapidă a codului programului, menținând în același timp performanțele unui controller în timp-real dedicat. Aceasta a oferit o opțiune eficientă din punct de vedere al costurilor, mai ales că nu au fost folosiți niciun coprocesor sau DSP. Inițial, controlul în timp real al MDMS a fost realizat folosind sistemul de operare QNX în timp-real. Chiar dacă are multe funcții atractive și multitasking, gama de configurații hardware acceptate nu a fost la fel de extinsă ca pentru un sistem de operare popular, cum ar fi Windows, care mi s-a părut mai ușor de utilizat. Chiar dacă Windows NT a fost folosit în aplicații în timp-real, acesta nu a fost proiectat pentru aplicații „dure” în timp real. Orice evenimente cărora li se acordă cea mai înaltă prioritate de setare sunt încă supuse întârzierilor imprevizibile din cauza rulării proceselor de nivel inferior în Windows NT. Windows NT este mai potrivit pentru operațiile care necesită doar precizie în intervalul de 100 ms. Real-Time Extension (RTX) de la VenturCom pentru Windows NT adaugă capabilități în timp-real la nivelul sub-milisecunde. RTX oferă capabilități în timp-real prin adăugarea unui nou subsistem cunoscut sub numele de RTSS la arhitectura Windows NT. El permite utilizatorilor să planifice evenimente înaintea tuturor planificărilor Windows NT și să creeze thread-uri care nu sunt supuse partajării în timp a procesorului. RTX le permite utilizatorilor să beneficieze de opțiunile de GUI și de conectivitate sofisticate ale Windows și de performanța înaltă, fiabilitatea și determinismul unui sistem de operare în timp-real în același timp pe același computer. RTX oferă un set de funcții în timp-real, permițând dezvoltatorului să programeze un controller în timp-real în C/C++. Aceste funcții sunt similare cu cele disponibile în Win32 API, dar permit utilizatorului să stabilească prioritatea thread-ului la oricare dintre cele 128 de nivele furnizate de RTX și, în special, prioritatea superioară pe care o planifică Windows NT.

Un controller PID a fost implantat pe MDMS, în special folosind caracteristicile ceasului și cronometrului furnizate de RTX. Programul de control a fost dezvoltat cu două threads: funcția cronometru și funcția principală. Funcția cronometru a fost programată să execute fiecare perioadă de eșantionare și a primit prioritate față de funcția principală. Funcția principală a așteptat până când tasta ESC a fost finalizată sau sarcina robotului a fost finalizată, apoi resetează DAC-urile și termină procesul. Funcția cronometru a repetat următorii pași la fiecare perioadă de eșantionare:

• A determinat ieșirea dorită dintr-o funcție sau fișier

• A citit ieșirea reală de la encodere (senzori de mișcare la articulațiile robotului)

• A utilizat o lege de control PID pentru a determina intrarea motoarelor de articulare

• A scris valoarea de intrare a controlului la DAC-uri

În loc să utilizeze driverele Windows pentru cardul servo, au fost dezvoltate funcții simple de citire și scriere în RTX. Aceasta a îmbunătățit performanța asigurând că fiecare apelare de funcție are prioritate față de alte programe Windows NT. Acest lucru nu a fost strict necesar pentru controllerul PID, dar ar fi util pentru implementarea mai multor controllere intensiv computaționale în viitor. Figura 10.9 prezintă o diagramă schematică a sistemelor de control cu ​​programul de control PID.

FIGURA 10.9 Controlul PID al MDMS

Acțiunea de control la momentul instant n este calculată de

unde
Ts este timpul de eșantionare
en este eroarea de răspuns
un este acțiunea de control
Kp este câștigul proporțional
Ki este câștigul integrativ
Kd este câștigul derivativ
Ti = Kp/Ki este timpul de acțiune integrativă
Td = Kd/Kp este timpul de acțiune derivativă

Valoarea PInt este inițializată la pasul 0

În plus față de controlul standard PID, alte scheme sofisticate de control, cum ar fi controlul predictiv, au fost implementate și testate cu succes folosind MDMS.

10.3.4.7 Analiză economică

Analiza economică implică o evaluare cost-beneficiu și va necesita un calcul al perioadei de rambursare. Cifrele privind investiția inițială, numărul de persoane înlocuite de robot și economiile salariale corespunzătoare, creșterea productivității datorită robotizării, rata inflației, rata impozitului corporativ și cheltuielilor de exploatare, cum ar fi utilitățile, întreținerea și asigurarea ar fi necesare pentru o analiză de acest tip. Procedura prezentată în următorul studiu de caz poate fi aplicată și în cazul de față.