Arhitectura sistemului

Figura 13 ilustrează aspectul sistemului unei celule de lucru robotice reconfigurabile dezvoltate în comun de Nanyang Technological University și Singapore Institute of Manufacturing Technology (Chen 2001). Scopul este de a demonstra adaptabilitatea unui astfel de sistem pentru a îndeplini o varietate de sarcini, cum ar fi asamblarea pieselor, transferul de material și prelucrarea ușoară (șlefuire, lustruire și debavurare), prin schimbarea rapidă a componentelor reutilizabile ale celulei de lucru. În acest sistem, celulele de lucru sunt realizate din componente modulare standard interschimbabile, cum ar fi actuatoare, legături rigide, scule de braț-final, dispozitive de fixare și senzori. Aceste componente pot fi asamblate și configurate rapid pentru a forma roboți cu diferite structuri și grade de libertate. Roboții, împreună cu alte dispozitive periferice, va forma o celulă de lucru robotică completă pentru a executa o sarcină sau un proces specific de fabricație. Componentele software corespunzătoare de control inteligent și simulare sunt apoi reconfigurate în funcție de modificarea configurației celulei de lucru. Întreținerea și modernizarea sistemului sunt simplificate prin înlocuirea componentelor defectuoase sau învechite. Transformarea unei linii de producție de la un produs la altul poate fi foarte rapidă pentru a ține pasul cu piața în schimbare rapidă.
Figure 13 illustrates the system layout of a reconfigurable robotic workcell jointly developed by Nanyang Technological University and Singapore Institute of Manufacturing Technology (Chen 2001). The purpose is to demonstrate the adaptability of such a system to perform a variety of tasks, such as part assembly, material transfer, and light machining (grinding, polishing, and deburring), through rapid change of reusable workcell components. In this system, workcells are made of standard interchangeable modular components, such as actuators, rigid links, end-of-arm tooling, fixtures, and sensors. These components can be rapidly assembled and configured to form robots with various structures and degrees of freedom. The robots, together with other peripheral devices, will form a complete robotic workcell to execute a specific manufacturing task or process. The corresponding intelligent control and simulation software components are then reconfigured according to the change of the workcell configuration. The maintenance and upgrade of the system are simplified by replacing the malfunctioned or outdated components. Converting a manufacturing line from one product to another can be very fast in order to keep up with the rapidly changing marketplace.

În acest sistem, software-ul pentru celulă de lucru este proiectat în mod reutilizabil și reconfigurabil pentru o întreținere și dezvoltare ușoară. Figura 14 ilustrează arhitectura software globală a celulei de lucru modulare. Mediul utilizatorului va oferi toate funcțiile necesare pentru a facilita utilizatorului final controlul, monitorizarea și simularea celulei de lucru. Este format din următoarele părți:
In this system, the workcell software is designed in reusable- and reconfigurable object fashion for ease of maintenance and development. Figure 14 illustrates the overall software architecture of the modular workcell. The user environment will provide all the necessary functions to facilitate the end user in controlling, monitoring, and simulating the workcell. It consists of the following parts:

Browser de componente – pentru vizualizarea și editarea componentelor disponibile în baza de date a componentelor.
Simulator – pentru generarea unui model de simulare pe calculator a unui robot modular și a întregii celule de lucru; în plus, simulatorul poate fi folosit ca funcție de bază pentru viitoare capabilități virtuale de producție.
Planificator la nivel de sarcină – pentru a determina geometria optimă a unui robot modular pentru o anumită sarcină și aspectul general al celulei de lucru pentru un anumit proces de fabricație.
Interfață de programare – pentru furnizarea de comandă și control al sistemului.
Controller – pentru comanda controllerelor individuale de nivel scăzut situate în componente și identificarea geometriei robotului din controllerele componentelor locale.
Component browser – for viewing and editing the components available in the component database.
Simulator – for generating a computer simulation model of a modular robot and the entire workcell; additionally, the simulator may be employed as the core function for future virtual manufacturing capabilities.
Task level planner – for determining the optimal geometry of a modular robot for a given task and the overall layout of the workcell for a particular manufacturing process.
Programming interface – for providing command and control of the system.
Controller – for commanding the low-level individual controllers located in the components and identifying the robot’s geometry from the local component controllers.

Nucleul de sistem, care este ascuns utilizatorului, oferă funcții de generare automată a modelului și funcția de optimizare a configurației (i se asociază și o bază de date de componente):
The system kernel, which is hidden from the user, provides automated model generation functions and the configuration-optimization function (a component database is also associated with it):

Baza de date a componentelor orientate pe obiect – gestionează specificarea tuturor componentelor, cum ar fi dimensiunile și greutățile legăturilor, performanțele cinematice și dinamice maxime ale actuatoarelor etc. Poate fi accesată de utilizator în scop de navigare și editare.
Funcții nucleu independente de geometrie – generează modele cinematice și dinamice ale roboților partajate de simulatoare și controller. Utilizarea modelelor identice în simularea și controlul celulei de lucru asigură fiabilitatea și integrarea sistemului și permite simulări bazate fizic prin controllerul celulei de lucru. Funcția de configurare-optimizare poate enumera toată geometria posibilă a robotului dintr-un inventar de componente ale modulelor din baza de date și poate selecta pe cea mai potrivită pentru o sarcină prescrisă. Aceste informații vor trece înapoi la planificatorul la nivel de activitate pentru a determina aspectul și locațiile optime ale roboților în celula de lucru.
Object-oriented component database – manages the specification of all the components, such as the dimensions and weights of the links, maximum kinematic and dynamic performance of the actuators, etc. It can be accessed by the user for browsing and editing purposes.
Geometry-independent kernal functions – generates kinematic and dynamic models of the robots shared by the simulators and the controller. Using identical models in the simulation and control of the workcell insures the reliability and integration of the system and enables physically based simulations through the workcell controller. The configuration-optimization function can enumerate all possible robot geometry from an inventory of module components in the database and select the most suitable one for a prescribed task. This information will pass back to the task level planner to determine the optimal layout and locations of the robots in the workcell.

Informațiile care trec de la baza de date de componente către funcțiile de modelare sunt prin matricea de incidență a ansamblării. Geometriile robotului (serial, ramificat sau hibrid) și informațiile detaliate de conectare, cum ar fi orientarea conexiunii și tipurile de module adiacente, sunt toate indicate în matrice. Această matrice este apoi trecută la funcțiile independente de geometrie pentru generarea modelului.
The information passing from the component database to the modeling functions is through the assembly incidence matrix. Robot geometries (serial, branch, or hybrid) and detailed connection information, such as the connecting orientation and the types of adjacent modules, are all indicated in the matrix. This matrix is then passed to the geometry-independent functions for model generation.

Într-un astfel de sistem, nevoia de a menține o bibliotecă imensă de modele de roboți este eliminată; în schimb, menținem o mică selecție a bazei de date componente și a funcțiilor kernel pentru generarea automată a modelului, reducând amprenta globală a software-ului de sistem.
In such a system, the need to maintain a huge library of robot models is eliminated; instead, we maintain a small selection of the component database and kernel functions for automated model generation, reducing the overall footprint of the system software.

Prototipul celulei de lucru

Am construit un prototip de celulă de lucru pentru lucrări de prelucrare ușoară într-o expoziție industrială în 1999 (Fig. 15). Această celulă de lucru a fost construită cu mai mulți roboți reconfigurabili, împreună cu alte dispozitive suport, într-o abordare modulară unificată.
We have constructed a prototype workcell for light-machining tasks in an industrial exhibition in 1999 (Fig. 15). This workcell was built with multiple reconfigurable robots along with other supporting devices under a unified modular approach.

• Etapa preliminară de proiectare

Pentru a folosi avantajele atât ale roboților tip paralel, cât și ale roboților tip serie, intenționăm să facem ca celula de lucru să efectueze o operație completă de frezare a unei piese de prelucrat, începând de la ridicarea obiectului, transferarea obiectului la un robot de frezat, pornind procesul de frezare și returnarea piesei de prelucrat înapoi într-un suport de depozitare. Pe baza acestui concept preliminar, decidem să folosim doi roboți reconfigurabili în această celulă de lucru: unul este un robot tip serie pentru operațiunea pick-and-place și celălalt este un robot tip paralel pentru operația de frezare, datorită rigidității sale structurale. Sarcina este de a efectua operația de frezare pe un vârf în formă de cupolă a unei piese de prelucrat cilindrice cu 15 cm în diametru. Un sistem de transfer al piesei de prelucrat trebuie utilizat între cei doi roboți.
To make use of the advantages of both parallel-typed and serial-typed robots, we intend to make the workcell to perform a complete milling operation of a workpiece, starting from picking up the object, transferring the object to a milling robot, starting the milling process, and returning the workpiece back to a storage rack. Based on this preliminary concept, we decide to use two reconfigurable robots in this workcell: one is a serial-typed robot for the pick-and-place operation and the other is a parallel-typed robot for the milling operation because of its structural rigidity. The task is to perform milling operation on a dome-shaped top of a cylindrical workpiece with 15 cm in diameter. A workpiece transfer system should be used in between the two robots.

• Selectarea și construcția configurației robotului

Pe baza descrierii preliminare a sarcinii, celula de lucru este configurată cu un robot tip serie redundant cu 7 DOF, un robot paralel RRRS articulat cu 6 DOF și un etaj de mișcare liniară de 1 DOF. Din optimizarea configurației robotului, un robot de tip SCARA 4-DOF este suficient pentru a îndeplini sarcina. Desfășurarea unui robot redundant aici este pentru a demonstra că algoritmii propuși de generare a modelelor utilizați în SEMORS și în controlul robotului sunt aplicabili universal pentru orice configurație.
Based on the preliminary task description, the workcell is configured with a 7-DOF redundant serial-type robot, a 6-DOF articulate RRRS parallel robot, and a 1-DOF linear motion stage. From the robot configuration optimization, a 4-DOF SCARA type robot is sufficient to perform the task. Deploying a redundant robot here is to demonstrate that the proposed model-generation algorithms used in SEMORS and in robot control are universally applicable for any configuration.

Proiectarea configurației robotului paralel urmează o abordare sistematică (Yang et al. 1999). În principiu, se utilizează o structură paralelă cu 3 ramuri din cauza rigidității și dexterității structurii. Fiecare ramură este formată din trei articulații rotative (două sunt active și una pasivă) și o articulație sferică pasivă. Odată determinată geometria, se efectuează analiza spațiului de lucru. Din rezultatul acestei analize se determină lungimile legăturilor rigide și ale conectorilor. Datorită designului modular, modulele de acţionare pot fi amplasate liber la cele nouă articulaţii revolute. Spațiul de lucru al robotului se modifică în funcție de locațiile modulelor de acționare. De cele trei ramuri este atașată o platformă mobilă în formă de disc. În centrul platformei este montată o unealtă de freză frontală acționată de un motor inteligent. Acest motor folosește aceeași interfață de control ca și modulele standard de acționare. Din cauza lipsei senzorului de forță, sarcina este efectuată doar într-o manieră simulată, adică scula de frezat trece doar prin traseul de frezare fără a atinge suprafața piesei de prelucrat.
The configuration design of the parallel robot follows a systematic approach (Yang et al. 1999). In principle, a 3-branch parallel structure is used because of the structure stiffness and dexterity. Each branch consists of three rotary joints (two are active and one is passive) and a passive spherical joint. Once the geometry is determined, the workspace analysis is performed. From the result of this analysis, the lengths of the rigid links and connectors are determined. Because of the modular design, the actuator modules can be freely located at the nine revolute joints. The workspace of the robot changes according to the locations of the actuator modules. A disk-shaped moving platform is attached to the three branches. An end-mill tool actuated by an intelligent motor is mounted at the center of the platform. This motor uses the same control interface as the standard actuator modules. Because of the lack of the force sensor, the task is only carried out in simulated manner, i.e., the end-mill tool only goes through the milling path without touching the surface of the workpiece.

Etajul de mișcare liniară 1-DOF utilizează două module standard: un modul rotativ pentru a antrena glisa liniară și un modul de prindere pentru a ține piesa de prelucrat, pentru a asigura uniformitatea în controlul celulei de lucru. Specificațiile roboților și etajului de mișcare sunt enumerate în Tabelul 1.
The 1-DOF linear motion stage uses two standard modules: one rotary module to drive the linear slide and one gripper module to hold the workpiece, to ensure uniformity in the workcell control. The specifications of the robots and the motion stage are listed in Table 1.

• Construcția și reglarea fină a celulei de lucru

După ce roboții și etajul de mișcare sunt construite, controllerele roboților sunt conectate la roboți. Două controllere de roboți pentru PC industriale bazate pe Pentium II sunt utilizate pentru a efectua controlul traiectoriei la nivel înalt al robotului în serie și, respectiv, al robotului paralel. Modelele cinematice ale roboților în serie și paralel sunt generate automat în SEMORS și stocate în controllerele robotului. Calibrarea cinematică a ambilor roboți este efectuată înainte de operație. Calibrarea cinematică este efectuată utilizând un echipament de măsurare a coordonatelor tip articulat, numit „Spin Arm”. Datele de calibrare obținute sunt transferate controllerului robotului și apoi SEMORS calculează și actualizează automat modelele cinematice corectate ale roboților. Datorită simplității sale, controlul etajului de mișcare se face de către unul dintre controllerele robotului pentru această implementare.
After the robots and motion stage are constructed, the robot controllers are connected to the robots. Two Pentium II-based industrial PC robot controllers are used to perform high-level trajectory control of the serial robot and the parallel robot, respectively. The kinematic models of both serial and parallel robots are generated automatically in SEMORS and stored in the robot controllers. Kinematic calibration of both robots is performed before the operation. The kinematic calibration is conducted by using articulate-typed coordinate measuring equipment, called “Spin Arm.” The obtained calibration data is transferred to the robot controller and then SEMORS computes and updates the corrected kinematic models of the robots automatically. Because of its simplicity, the control of the motion stage is done by one of the robot controllers for this implementation.

• Finalizați secvența sarcinilor și controlul acțiunilor celulei de lucru

Cu modelele cinematice actualizate, este prezentată secvența detaliată a sarcinilor tuturor roboților (Tabelul 2). Sarcinile sunt apoi programate în controllerele robotului respectiv. Cele două controllere de robot sunt conectate la o LAN a celulei de lucru în buclă închisă, care rulează la 10 MB/s. Un computer notebook separat este, de asemenea, conectat la rețeaua celulei de lucru care efectuează controlul de supraveghere al celulei de lucru prin SEMORS care rulează pe controllerele robotului individual. Secvența sarcinilor celulei de lucru este monitorizată și supravegheată de supervizorul notebook.
With updated kinematic models, the detailed task sequence of all robots (Table 2) is laid out. The tasks are then programmed into the respective robot controllers. The two robot controllers are connected to a closed-loop workcell LAN running at 10 MB/s. A separate notebook computer is also connected to the workcell network performing supervisory control of the workcell through SEMORS running on the individual robot controllers. The task sequence of the workcell is monitored and supervised by the notebook supervisor.

Pe baza construcției efective, pentru a asambla robotul descris cu 7 DOF tip serie, doi utilizatori lucrează aproximativ 30 de minute. Timpul de construcție a robotului paralel necesită două persoane aproximativ 2 ore din cauza complexității structurii. Adăugând timpul necesar pentru instalarea etajului de mișcare, calibrarea roboților și reglarea fină a hardware-ului celulei de lucru, va dura aproximativ 4 ore în total pentru a finaliza întreaga configurație a celulei de lucru, excluzând timpul petrecut în etapa de proiectare preliminară.
Based on the actual construction, to assemble the described 7-DOF serial-typed robot takes two users about 30 min. The time to construct the parallel robot requires two persons about 2 h because of the complexity of the structure. Adding the time to install the motion stage, calibrate the robots, and fine-tune the workcell hardware, it will take about 4 h in total to complete the entire workcell setup excluding the time spent on the preliminary design stage.