Clasificarea structurală a roboţilor industriali seriali (II)

Roboti

de Ionel Staretu

Clasificarea structurală a roboţilor industriali seriali (II)

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 continuă prezentarea 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.

3. Clasa roboţilor industriali seriali redundanţi

A realiza roboți industriali seriali cu mai mult de 6 mișcări independente (6 grade de mobilitate) s-a considerat mult timp inutil și ineficient din cauza timpului mare necesar pentru calcularea deplasării punctului caracteristic pe traiectoria impusă. Totuși, după un timp, practic au început să fie realizați roboți industriali seriali cu mai mult de 6 grade de mobilitate, cu 7, 8 sau chiar 9 grade de mobilitate [2,3], care aveau avantajul important al unui spațiu de lucru mărit și al unei funcționalități crescute, fără a exista o preocupare expresă în a evidenția sistematic variantele de acest fel posibile.

Trecerea la astfel de structuri a fost facilitată și de creșterea puternică a performanțelor sistemelor de calcul folosite. S-a pus astfel problema câte grade de mobilitate ar putea avea totuși un robot industrial serial?

După anul 2010, autorul acestui articol, reluând problema structurii roboților seriali, a propus definirea unei noi clase de roboți industriali seriali, și anume a clasei roboților industriali seriali redundanți, cu 7 până la 12 grade de mobilitate (7 până la 12 cuple cinematice monomobile motoare de rotație sau de translație, respectiv 7 până la 12 axe cinematice independente) [4]. Limita de 12 grade de mobilitate s-a adoptat pentru că practic dubla numărul de grade de mobilitate necesare și suficiente, conducea la o mărire semnificativă a spațiului de lucru și funcționalității, ducea la o complexitate tehnică rezonabilă și potențial eficientă, dar corespundea și principiului de redundanță întâlnit în natură unde gradul de redundanță este în general doi.

Mai departe, s-a propus ca aceste structuri să se obțină plecând de la structura lanțurilor cinematice de poziționare din structurile roboților industriali seriali cu configurație minimă care generează spații de lucru nedegenerate, prin adăugarea câte unei cuple cinematice monomobile de rotație (R) sau de translație (T), cu poziționare paralelă sau perpendiculară față de restul structurii în lanțul cinematic de ghidare, cu păstrarea ca modul a lanțului cinematic de orientare.

Conform metodei propuse, structurile cu 7 axe se obțin prin adăugarea unei axe de translație (T) sau de rotație (R), în poziție perpendiculară (⟘) sau paralelă (||) față de modulul de poziționare (PM) sau modulul de orientare (OM). Rezultă structuri de forma: R⟘(PM)(OM), R||(PM)(OM) sau T⟘(PM)(OM), T||(PM)(OM). Prin evidențierea tuturor situațiilor posibile, rezultă 12 structuri redundante cu 7 axe: R⟘(PM)(OM), R||(PM)(OM), T⟘(PM)(OM), T||(PM) (OM), (PM)⟘R(OM), (PM)||R(OM), (PM)⟘T(OM), (PM)||T(OM), (PM)(OM) ⟘ R, (PM)(OM)||R, (PM) (OM)⟘T, (PM)(OM)||T.

  • FIGURA 5 - Structuri seriale cu 7 axe (a) și 8 axe (b)

În figura 5a, este dat un exemplu de schemă structurală a unui lanț cinematic cu 7 axe, de tip: R ⟘ (PM)(OM), respectiv prin detalierea structurii modulului de poziționare (PM): R⟘(R⟘R⟘T)(OM).

Structurile cu 8 axe se obțin prin adăugarea unei axe suplimentare de R sau de T în poziție ⟘ sau || la structurile cu 7 axe, obținute în etapa anterioară, rezultând structuri de forma: R⟘[R⟘(PM)(OM)], R||[R ⟘(PM)(OM)], T⟘[R⟘(PM)(OM)], T||[R⟘(PM)(OM)]. Prin evidențierea tuturor situațiilor posibile ale variantelor cu 8 axe de tip: R⟘R⟘(PM)(OM)... T||T||(PM) (OM), se obțin 96 de combinații, câte 16 pentru fiecare combinație de tip (R/T)(⟘/||)(R/T)(⟘/||)(PM) (OM), (R/T)(⟘/||)(PM)(⟘/||)(R/T)(OM), (R/T)(⟘/||) (PM)(OM)(⟘/||)(R/T), (PM)(⟘/||)(R/T)(OM)(⟘/||) (R/T), (PM)(⟘/||)(R/T)(⟘/||)(R/T)(OM) și (PM)(OM) (⟘/||)(R/T)(⟘/||)(R/T). În figura 5b este dat un exemplu de structură cu 8 axe.

Structurile cu 9 axe se obțin prin adăugarea unei axe suplimentare de R sau de T în poziție ⟘ sau || la structurile cu 8 axe, rezultând structuri de forma: R⟘ [R⟘[R⟘(PM)(OM)]], R||[R⟘[R⟘(PM)(OM)]], T⟘[R ⟘ [R⟘(PM)(OM)]], T|| [R⟘[R⟘(PM)(OM)]]. Un exemplu de structură cu 9 axe este arătat în figura 6a.

  • FIGURA 6 - Structuri seriale cu 9 axe (a) și 10 axe (b)

Structurile cu 10 axe se obțin prin adăugarea unei axe suplimentare de R sau de T în poziție ⟘ sau || la structurile cu 9 axe, rezultând structuri de forma: R⟘[R⟘[R⟘[R⟘(PM)(OM)]]], R||[R⟘[R⟘[R⟘(PM)(OM)]]]], T⟘[R⟘[R⟘[R⟘(PM)(OM)]]], T||[R⟘[R⟘[R⟘ (PM)(OM)]]]. În figura 6b este dat un exemplu de structură cu 10 axe.

Structurile cu 11 axe se obțin prin adăugarea unei axe suplimentare de R sau de T în poziție ⟘ sau || la structurile cu 10 axe, rezultând structuri de forma: R⟘[⟘R⟘[R⟘[R⟘[R⟘(PM)(OM)]]]], R|| [ R⟘[R⟘[R⟘[R⟘(PM)(OM)]]]], T⟘[R⟘[R⟘[R⟘[R⟘(PM) (OM)]]]], T||[R⟘[R⟘[R⟘[R⟘(PM)(OM)]]]] . În figura 7a este dat un exemplu de structură cu 11 axe.

Structurile cu 12 axe se obțin prin adăugarea unei axe suplimentare de R sau de T în poziție ⟘ sau || la structurile cu 11 axe, rezultând structuri de forma: R⟘[R⟘[ R⟘[R⟘[R⟘[R⟘(PM)(OM)]]]]], R|| [R⟘[ R⟘ [R⟘[R⟘[R⟘(PM)(OM)]]]]], T [R [ R [R [R [R (PM) (OM)]]]]], T||⟘[R⟘[ R⟘[R⟘[R⟘[R⟘(PM)(OM)]]]]]. Un exemplu de structură cu 12 axe este dat în figura 7b. În exemplele date în figurile 5-7, sunt reprezentate numai axele mecanismului de poziționare (PM) și axele suplimentare, cu reprezentarea condensată a mecanismului de orientare (OM), care conține trei axe de rotație perpendiculare (R⟘R⟘R), prin adăugarea cărora rezultă numărul total de axe precizat pentru fiecare structură.

  • FIGURA 7 - Structuri seriale cu 11 axe (a) și 12 axe (b)

În structurile roboților redundanți seriali intră și toate variantele din prezent de roboți care se pot deplasa prin mișcări de translație pe una până la trei axe perpendiculare, în cazul în care tot ansamblul este considerat ca un întreg și toate axele sunt comandate de un sistem de calcul unitar.

4. Clasa roboţilor industriali seriali hiperredundanţi

Deoarece există în natură structuri cu un grad de redundanță mai mare de doi, și unele dintre ele au fost imitate și au fost realizate structuri robotice similare, care au mai mult de 12 grade de mobilitate, este convenit deja ca aceste structuri să formeze clasa roboților industriali seriali hiperredundanți, care pot avea deci 13 sau mai multe (practic, nelimitate) grade de mobilitate. Aceste structuri au fost studiate în România aprofundat de prof. Mircea Ivănescu [5]. Roboții industriali seriali heperredundanți sunt deci caracterizați de mai mult de 12 grade de mobilitate, deci 13 sau mai multe axe cinematice independente. Structurile acestor roboți se pot obține conform celor de mai sus prin adăugarea unui grad de mobilitate, deci a unei axe independente corespunzătoare unei cuple monomobile de rotație (R) sau de translație (T) într-o poziție relativă paralelă (||) sau perpendiculară (⟘) la structurile cu 12 axe cinematice independente. La structurile hiperredundante, numărul de axe independente peste 12 nu este limitat.

  • FIGURA 8 - Robot serial hiperredundant: schemă structurală(a) și versiune semiconstructivă(b)

Aceste structuri se cunosc și ca structuri trompoide sau vertebroide. Însă cea mai simplă structură hiperredundantă se poate obține prin înserierea a 13 cuple monomobile de rotație (R) cu axele reciproc perpendiculare, figura 8. (varianta schematică–a și varianta semiconstructivă-b). Alte structuri se obțin prin înserierea a 13 sau mai multor cuple de rotație și/sau de translație cu poziții relative perpendicular (⟘) sau paralele (||).

Evident că orice structură serială redundantă la care se adaugă unul sau mai multe grade de mobilitate deci una sau mai multe axe cinematice independente de rotație sau de translație devine structură hiperredundantă. În figura 9. sunt reprezentate două structuri hiperredundante derivate dintr-o structură redundantă cu 12 grade de mobilitate.

  • FIGURA 9 - Structuri de roboți industriali seriali hiperredundanți cu 13 grade de mobilitate, derivate direct din structuri de roboți industriali seriali redundanți cu 12 grade de mobilitate

5. Concluzii 

În concluzie, se consideră utilă clasificarea roboților industriali seriali în trei clase, și anume: clasa roboților industriali seriali cu configurație minimă (necesară și suficientă); clasa roboților industriali seriali redundanți (cu 7 până la 12 grade de mobilitate); și clasa roboților industriali seriali hiperredundanți (cu 13 sau mai multe grade de mobilitate). Se consideră semnificative structurile formate din cuple monomobile de rotație (R) sau/ și translație (T), în poziție relativă paralelă (||) sau perpendiculară (⟘), cu păstrarea în cazul primelor două clase a lanțului cinematic de orientare unitar (compact). Pentru a treia clasă, lanțul cinematic de orientare nu mai are semnificație. Prin metodele arătate, se pot evidenția toate configurațiile posibile și utile ale primelor două clase de roboți industriali seriali. Multe dintre aceste configurații au fost realizate practic, iar unele vor fi realizate în viitor, în funcție de anumite situații specifice. Roboții hiperredundanți pot avea configurații în număr practic nelimitat.

Acest articol a urmărit să prezinte clasificarea roboților industriali seriali redundanți într-o manieră clară și sugestivă și să arate că această clasificare și metodele de sinteză structurală aferente pot evidenția toate structurile posibile în cazul primelor două clase, din care au fost sau se pot realiza practic cele necesare. Evident, din cele prezentate, rezultă și contribuția esențială a școlii românești de robotică în aprofundarea și rezolvarea problemei clasificării roboților industriali seriali. Articolul este destinat specialiștilor în robotică și mecatronică, dar și tuturor celor care vor să aprofundeze această tematică, fiind și un îndemn de a utiliza această abordare în studiile teoretice și în realizările practice din acest domeniu.


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.