1. Introducere 

Un robot industrial este o mașină programabilă de uz general. Are câteva caracteristici antropomorfice, adică caracteristici umane care seamănă cu structura fizică umană. Roboții răspund, de asemenea, la semnale senzoriale într-o manieră similară cu omul.  Caracteristici antropomorfice, cum ar fi brațele mecanice, sunt utilizate pentru diferite sarcini din industrie. Dispozitive senzoriale perceptive precum senzorii permit roboților să comunice și să interacționeze cu alte mașini și să ia decizii simple.  Avantajele comerciale și tehnologice generale ale roboților sunt enumerate mai jos: 

• Roboții sunt buni înlocuitori pentru ființele umane în medii de muncă periculoase sau incomode. 

• Un robot își desfășoară ciclul de lucru cu consistență și repetabilitate, ceea ce este dificil pentru ființele umane de a atinge pe perioadă lungă de lucru continuu. 

• Roboții pot fi reprogramați. La finalizarea procesului de producție a sarcinii curente, un robot poate fi reprogramat și echipat cu uneltele necesare pentru a efectua o sarcină cu totul diferită. 

• Roboții pot fi conectați la sistemele computerizate și la alte sisteme robotice. În zilele noastre roboții pot fi controlați cu   tehnologii de control fără fir (wireless). Acest lucru a sporit productivitatea și eficiența industriei de automatizare.

2. Anatomia robotului și atributele conexe

2.1 Articulații și conexiuni 

Manipulatorul unui robot industrial constă dintr-o serie de articulații și conexiuni. Anatomia robotului se ocupă de studiul diferitelor articulații și legături și alte aspecte ale construcției fizice a manipulatorului. O articulație robotică asigură mișcare  relativă între două verigi ale robotului. Fiecare articulație, sau axă, oferă un anumit grad de libertate (dof: degree-of-freedom) de mișcare. În cele mai multe cazuri, doar un singur grad de libertate este asociat cu fiecare articulație.  Deci, complexitatea  robotului poate fi clasificată în  funcție de numărul total de grade de libertate pe care le posedă.

Fiecare articulație este conectată la două legături, o legătură de intrare și o legătură de ieșire. Articulația asigură mișcarea relativă controlată între legătura de intrare și legătura de ieșire. O legătură robotică este componenta rigidă a manipulatorului  robotului. Majoritatea roboților sunt montați pe o bază staționară, cum ar fi podeaua. De la această bază, o schemă de numerotare a articulației -legătură poate fi recunoscută așa cum se arată în figura 7.5.1. Baza robotică și conexiunea sa la prima articulație sunt denumite link-0. Prima articulație din secvență este joint-1. Link-0 este legătura de intrare pentru articulația 1, în timp ce legătura de ieșire din articulația 1 este link-1 care duce la articulația 2 (joint 2). Astfel, link-1 este, simultan, legătura de ieșire pentru articulația 1 și legătura de intrare pentru joint-2. Această schemă de numerotare joint-link este urmată în continuare pentru toate articulațiile și legăturile din sistemele robotice. 

Fig. 7.5.1 Schema joint-link pentru manipulatorul robotului 

Aproape toți roboții industriali au articulații mecanice care pot fi clasificate în următoarele cinci tipuri, cum se arată în figura 7.5.2.  

Fig. 7.5.2 Tipuri de articulații  

a) Articulație liniară (articulația tip L) 

Mișcarea relativă între legătura de intrare și legătura de ieșire este o mișcare de glisare translațională, axele celor două legături fiind paralele. 

b) Articulație ortogonală (articulație tip U) 

Aceasta este, de asemenea, o mișcare de glisare translațională, dar legăturile de intrare și ieșire sunt perpendiculare între ele în timpul mișcării. 

c) Articulația rotativă (articulația tip R) 

Acest tip asigură mișcare relativă de rotație, cu axa de rotație perpendiculară pe axele legăturilor de intrare și ieșire. 

d) Articulație de răsucire (articulație de tip T) 

Această articulație implică, de asemenea, mișcare rotativă, dar axa sau rotația este paralelă cu axele celor două legături. 

e) Articulația tip rulment (articulația de tip V, V de la „v” din revolving) 

În acest tip, axa legăturii de intrare este paralelă cu axa de rotație a articulației. Dar, axa legăturii de ieșire este perpendiculară pe axa de rotație.

2.2 Configurații comune ale robotului 

Practic, manipulatorul robotului are două părți: un ansamblu corp-și-braț cu trei grade de libertate; și un ansamblu încheietură cu două sau trei grade de libertate. 

Pentru configurațiile corp-și-braț, sunt posibile diferite combinații de tipuri de articulații pentru un robot cu trei grade de libertate. Cinci configurații comune de corp-și-braț sunt prezentate în figura 7.5.3. 

 Fig.7.5.3 Configurații corp-și-braț comune 

(a) Configurația polară

Constă dintr-o articulație-L cu braț glisant, acționată în raport cu corpul, care se rotește atât în ​​jurul unei axe verticale (articulația T), cât și a axei orizontale (articulația R).

(b) Configurația cilindrică

Este formată dintr-o coloană verticală. Un ansamblu braț este deplasat în sus sau în jos în raport cu coloana verticală. Brațul poate fi mișcat spre și de la relativ la axa coloanei. Configurația obișnuită este de a utiliza o articulație-T pentru a roti coloana în jurul axei sale. O articulație-L este utilizată pentru a deplasa ansamblul brațului vertical de-a lungul coloanei, în timp ce o articulație-O este utilizată pentru a realiza mișcarea radială a brațului. 

(c) Robot cu coordonate carteziene

Este cunoscut și sub denumirea de robot rectiliniu și robot x-y-z. Este format din trei articulații glisante, dintre care două sunt articulații-O ortogonale. 

(d) Robot cu braț articulat

Este similar cu un braț uman. Este format dintr-o coloană verticală care se învârte în jurul bazei folosind o articulație-T. Articulația umărului (articulația-R) este situată în partea de sus a coloanei. Legătura de ieșire este o articulație de cot (o altă  articulație-R).

(e) SCARA

Forma sa completă este „Selective Compliance Assembly Robot Arm”. Este similar în construcție cu robotul cu braț articulat, cu excepția că axele de rotație ale umărului și cotului sunt verticale. Înseamnă că brațul este foarte rigid pe direcția verticală, dar îngăduitor în direcția orizontală.   

Ansamblurile de încheieturi robotice constau în două sau trei grade de libertate. În articulația 7.5.4 este prezentată o articulație  tipică cu trei grade de libertate a încheieturii. Articulația de rostogolire se realizează prin utilizarea unei articulații-T. Articulația de înclinare este obținută prin recurgerea la o articulație-R. Și articulația unghiulară, mișcare dreapta-stânga, este câștigată prin  implementarea unei a doua articulații-R.  

Fig. 7.5.4: Articulația încheieturilor robotice  

Configurația corp-și-braț SCARA nu folosește de obicei un ansamblu încheietură separat. Mediul său de lucru obișnuit este pentru operațiunile de asamblare de tip inserție, unde articulațiile încheieturilor sunt inutile. Celelalte patru configurații corp-și-braț  respectă mai mult sau mai puțin configurația articulației încheieturii prin implementarea diferitelor combinații de articulații rotative, adică, tip R și T.

2.3 Sisteme de acționare 

Practic, trei tipuri de sisteme de acționare sunt utilizate în mod obișnuit pentru acționarea articulațiilor robotice. Este vorba de acționări electrice, hidraulice și pneumatice. Motoarele electrice sunt motoare primare în roboți. Servomotoarele sau motoarele pas cu pas sunt utilizate pe scară largă în robotică. Sistemele hidraulice și pneumatice, cum ar fi sistemele cu piston-cilindru, actuatoarele cu palete rotative sunt utilizate pentru a realiza mișcări liniare și, respectiv, mișcări rotative ale articulațiilor.

Acționarea pneumatică este utilizată, în mod regulat, pentru aplicații robotice mai mici și mai simple; în timp ce acționările electrice și hidraulice pot fi găsite în aplicații pe roboți industriali mai sofisticați. Datorită avansării în tehnologia motoarelor electrice realizate în ultimii ani, acționările electrice sunt favorizate în general în aplicațiile comerciale. De asemenea, au compatibilitate cu sistemele de calcul. Sistemele hidraulice, deși nu sunt la fel de flexibile ca acționările electrice, sunt utilizate în general acolo unde sunt necesare viteze mai mari. În general sunt angajate pentru a efectua operațiuni cu sarcini grele folosind roboți. 

Combinația dintre sistemul de acționare, senzori și sistemul de control cu feedback determină caracteristicile de răspuns dinamic ale manipulatorului. Viteza, în termeni robotici, se referă la viteza absolută a manipulatorului la capătul brațului. Poate fi programată în ciclul de lucru, astfel încât diferite porțiuni ale ciclului să fie efectuate cu viteze diferite. Controlul accelerației și frânării sunt, de asemenea, factori importanți, în special într-un contur de lucru limitat. Abilitatea robotului de a controla trecerea între viteze este un factor determinant esențial al capacităților manipulatorului. Alți factori cheie sunt greutatea (masa) obiectului manipulat și precizia cerută pentru localizarea și poziționarea corectă a obiectului. Toți acești factori determinanți  sunt adunați sub termenul „viteză de răspuns”, care este definită ca timpul necesar pentru ca manipulatorul să treacă dintr-un punct în spațiu în altul. Viteza de răspuns influențează timpul ciclului robotului, care la rândul său afectează viteza de producție care poate fi atinsă.

Stabilitatea se referă la cantitatea de overshoot (depășire) și oscilație care apare în mișcarea robotului la capătul brațului, în timp ce încearcă să se deplaseze în următoarea locație programată. Mai multe oscilații în mișcarea robotică duc la o mai mică stabilitate în manipulatorul robotului. Dar, o stabilitate mai mare poate produce un sistem robotizat cu timpi de răspuns mai mici. 

Capacitatea de transport a sarcinii este, de asemenea, un factor important. Ea este determinată de greutatea dispozitivului de  prindere (gripper) folosit pentru a prinde obiectele. În plus față de masa obiectului, un dispozitiv de prindere greu pune o sarcină mai mare asupra manipulatorului robotului. Roboții comerciali pot transporta încărcături până la 900 kg, în timp ce roboții industriali de dimensiuni medii pot avea capacități de până la 45 kg.