roboti industriali - iota.ee.tuiasi.roiota.ee.tuiasi.ro/~mpobor/doc/cursuri/ricurs1.pdf · roboti...

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.