Clasificarea structurală a roboţilor industriali seriali (I)

Roboti

de Ionel Staretu

Clasificarea structurală a roboţilor industriali seriali (I)

Robotul industrial a fost gândit inițial, ceea ce este însă valabil și în prezent, ca un înlocuitor al brațului uman pentru a putea realiza mecanizat și programat sarcini similare cu ale acestuia. Roboții industriali pot fi în sens larg roboți industriali seriali, obținuți prin înserierea mai multor cuple cinematice și roboți industriali paraleli, obținuți prin legarea în paralel a mai multor lanțuri cinematice seriale.

1. Introducere

Cei mai utilizați și realizați practic, până în prezent, într-un număr foarte mare de exemplare și în mai multe variante în continuă diversificare sunt roboții industriali seriali, materilizați prin multiplele variante de brațe robotice. O clasificare clară și argumentată a roboților industriali seriali și o metodă de sinteză structurală care să conducă la majoritatea variantelor posibile și utile nu au existat până la propunerea făcută de autor.

În acest articol, într-o manieră mai accesibilă, se face o prezentare a acestei problematici, și anume clasificarea roboților industriali seriali cu o justificare clară și argumentată, precum și prezentarea succintă, dar utilizabilă a metodei de sinteză structurală adecvată pentru obținerea majorității variantelor acestora, inclusiv a tuturor celor realizate practic.

Prima problemă care a trebuit rezolvată în ideea realizării unui robot industrial similar cu brațul uman a fost transferul unei piese (obiect) dintr-o poziție în altă poziție într-un spațiu tridimensional ortogonal Oxyz. Precum se știe, poziția unui punct în spațiu triortogonal este definită de 3 coordonate: x, y și z. Dacă se cunosc aceste coordonate, se cunoaște poziția piesei (obiectului).

2. Clasa roboţilor industriali seriali cu configuraţie minimă

A transfera un obiect dintr-o poziție în alta, ceea ce face uzual și instinctiv brațul uman, adică dintr-o poziție inițială P1 definită de coordonatele x1, y1, z1 într-o altă poziție P2 definită de coordonatele x2, y2, z2, presupune parcurgerea distanței între punctele P1 și P2, ceea ce practic înseamnă deplasarea după axele de coordonate x,y și z conform proiecțiilor segmentului P1P2 pe cele trei axe: Ox, Oy și Oz. Aceste trei deplasări se pot face în cea mai simplă formă prin deplasarea pe distanțele (P1P2)x, (P1P2)y și (P1P2)z (figura 1a), care sunt proiecțiile segmentului P1P2 pe axele sistemului de referință.

În varianta cea mai simplă, aceste distanțe se pot parcurge prin trei mișcări de translație, după axa Ox, axa Oy și axa Oz, practic mișcările de translație independente asociate acestor axe. Acest lucru se poate realiza printr-un lanț cinematic deschis, respectiv, mecanism obținut prin înserierea a trei cuple cinematice monomobile motoare de translație dispuse perpendicular de tipul T┴T┴T (figura 1a). Se poate pune acum întrebarea dacă există și altă soluție?

Dacă există altă soluție, aceasta ar trebui obligatoriu să implice cel puțin o altă mișcare independentă, care nu poate fi decât de rotație (știind că într-un sistem de referință triortogonal nu există decât trei mișcări independente de translație, câte una de-a lungul fiecărei axe, și trei mișcări independente de rotație, câte una în jurul fiecărei axe), deci o cuplă cinematică monomobilă motoare de rotație. Dacă se merge la limită și se folosesc numai cuple cinematice monomobile de rotație, trecerea de la poziția P1 la poziția P2 nu se poate face decât cu o structură de tipul R┴R‖R (figura 1b). Cu două rotații, se poate deplasa extremitatea lanțului cinematic într-un plan vertical (într-o anumită zonă, în funcție de dimensiunile elementelor dintre cuplele de rotație și extremitatea ultimului element), iar cu a treia rotație se poate trece dintr-un plan în alt plan paralel cu acesta până la acoperirea unei rotații complete de 360 de grade.

  • FIGURA 1 - Structuri de lanțuri cinematice formate din cuple de translație (a) și din cuple de rotație (b)

Între cele două situații extreme, există toate situațiile de combinații în care intervin cuple de translație, dar și cuple de rotație, care sunt poziționate paralel sau perpendicular între ele (se iau în considerare numai aceste poziții relative pentru că acestea s-au impus prin realizările practice de roboți industriali seriali și pentru că situațiile în care între axele a două cuple cinematice succesive este un unghi diferit de 90 de grade sunt derivate din primele). Rezultă variante de forma: T‖T‖R, T‖T┴R, T┴T‖R, T‖R‖R, T‖R┴R, etc.

Prof. Florea Dudiță și prof. Dorin Diaconescu au arătat că dacă se consideră și anumite segmente între axele cuplelor, pentru a exista o generalitate maximă rezultă 36 de configurații de tipul R/T‖/┴R/T‖/┴R/T[1]. În figura 2 se dau trei exemple de astfel de structuri. Aceste configurații formează așa-numitele lanțuri cinematice de poziționare, care asigură definirea precisă a poziției punctului P (numit și punct caracteristic, notat în figura 2 cu M).

Dacă se consideră că într-o cuplă de rotație se poate face o rotație de 360o, iar într-o cuplă de translație o translație finită d, prin parcurgerea acestor intervale de la poziția inițială considerată poziție 0, la poziția maximă posibilă considerată poziția finală se generează un spațiu numit spațiu de lucru, în care teoretic se poate atinge orice punct prin deplasări parțiale în cuplele componente lanțului cinematic de poziționare.

  • FIGURA 2 - Structuri de lanțuri cinematice de poziționare​

Analizând cele 36 de configurații, s-a constatat că numai 20 dintre ele generează spații de lucru (volume de lucru) nedegenerate la o linie sau la un plan. Acestea sunt configurațiile utile pentru roboții industriali seriali cu configurație minimă. Pe de altă parte, o piesă (un obiect) al cărei punct caracteristic (centru de simetrie sau centru de greutate) se află într-o poziție oarecare Pi, dintr-un spațiu triortogonal Oxyz, poate avea însă o orientare oarecare față de cele trei axe, orientare care este definită de trei unghiuri α, β și γ (unghiurile făcute de axa de simetrie (axa caracteristică) a piesei (obiectului) cu axele sistemului de referință.

Pentru a trece de la un set de unghiuri inițiale α1, β1, γ1 la alte unghiuri α2, β2, γ2, axa piesei (obiectului) trebuie să se poată roti în jurul celor trei axe ale sistemului de referință triortogonal cu centrul în punctul caracteristic al piesei (identic cu centrul de simetrie sau de greutate), ceea ce se poate face cu trei cuple cinematice monomobile de rotație cu axele concurente și perpendiculare.

  • FIGURA 3 - Structuri de lanțuri cinematice de orientare

Acesta este lanțul cinematic de orientare. Aceste lanțuri față de configurația de bază se pot diversifica prin introducerea unor distanțe între cele trei axe și o anumită poziționare față de axa longitudinală a robotului (L). În figura 3 se dau două exemple de lanțuri cinematice de orientare.

Ca urmare, poziția și orientarea unui obiect în spațiul triortogonal este univoc determinată de un lanț cinematic rezultat prin înserierea lanțului cinematic de poziționare cu lanțul cinematic de orientare rezultând așa-numitul lanț cinematic de ghidare. Deci roboții industriali seriali, pentru a putea poziționa determinat un obiect în spațiul triortogonal, trebuie să aibă 6 mișcări independente (6 grade de mobilitate): 3 de poziționare și 3 de orientare. Aceste configurații și anume cele care corespund la spații de lucru nedegenerate formează clasa roboților industriali seriali de configurație minimă.

În figura 4 se dau trei exemple de lanțuri cine-matice de ghidare pntru roboți industriali seriali cu configurație minimă de tip: R┴R‖R (OM), R┴R┴T (OM), R┴R‖T (OM), în care OM este lanțul cinematic (mecanismul) de orientare format din trei cuple cine-matice de rotație cu axele concurente.

Această clasă a fost sistematizată prin enumerarea și sinteza structurală a tuturor variantelor posibile de prof. Fl. Dudiță și prof. Dorin Diaconescu încă din anii 1980 [1]. Înainte, în acest interval și după aceea s-au realizat practic mai multe tipuri de roboți industriali seriali care corespundeau uneia din variantele obținute. Pentru a obține variantele posibile acestor structuri, se evidențiază aranjamentele cu repetiție de m elemente distincte grupate câte n și anume aranjamente de două cuple de rotație sau translație (R,T) grupate câte trei (XZY), X,Z,Y є {R.T}, de două poziții relative: perpendiculare sau paralele (┴, ‖), grupate câte două (θ,β), cu θ,β є„ {┴,‖}, și, respectiv, de două valori(≠ 0, = 0) atribuite la trei mărimi: a1, a2, b.

  • FIGURA 4 - Structuri de lanțuri cinematice de ghidare pentru roboți industriali seriali cu configurație minimă

Între aceste configurații sunt cuprinse evident și variantele considerate clasice (și standardizate) de roboți industriali seriali, clasificați în funcție de coordonatele caracteristice, și anume: roboți industriali în coordonate carteziene (au lanțul de poziționare format prin înserierea a trei cuple monomobile de translație perpendiculare); roboți industriali în coordonate cilindrice (au lanțul de poziționare de tip R‖T┴T); roboți în coordonate sferice (au lanțul de poziționare de tip R┴R┴T) și roboți în coordonate unghiulare (au lanțul de poziționare de tip R┴R‖R). Prin adăugarea de la una la trei mișcări de orientare, se obțin roboții industriali seriali uzuali. S-a considerat astfel că problema configurațiilor roboților industriali seriali de configurație minimă (necesară și suficientă) este complet rezolvată și aceste structuri pot înlocui cu succes brațul uman.


Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.