Roboti Industriali INTRODUCERE IN PROBLEMATICA SISTEMELOR DE CONDUCERE

INTRODUCERE ÎN PROBLEMATICA SISTEMELOR DE CONDUCERE

Robotul industrial reprezinta în momentul de fata punctul de intersectie al rezultatelor de vârf într-o serie de domenii: mecanica, automatica, calculatoare si sisteme de actionare. Aceasta congruenta a unor ramuri stiintifice si tehnologice atât de diferite se explica prin complexitatea deosebita a robotului, atât sub raportul arhitecturii mecanice, cât si în ceea ce priveste sistemul de conducere.

Propriu-zis, robotul este rezultatul firesc al evolutiei de la masinile unelte automatizate, masinile cu comanda program, liniile automate de fabricatie etc. în momentul în care rigiditatea si inflexibilitatea acestora nu a mai corespuns cerintelor actuale de productivitate si calitate, iar omul a încercat sa execute actiuni directe, nemijlocite asupra proceselor capatând un rol de supraveghere si control.

Deci robotul, ca rezultat al acestor dezvoltari tehnico - stiintifice, poate fi definit ca un sistem tehnologic capabil sa înlocuiasca sau sa asiste omul în exercitarea unor actiuni diverse asupra masinilor sau liniilor de productie.

În acest context, apare evidenta complexitatea problemelor privind atât constructia si actionarea robotilor cât si, în special, conducerea lor.

1.1. Componentele fundamentale ale sistemului robot

Privit în toata complexitatea sa, un sistem robotic cuprinde urmatoarele componente (figura 1.1) [1, 38]:

a)           spatiul de operare;

b)           sursa de energie

c)           sursa de informatie

d)           robotul.

Figura 1.1

Spatiul de operare al unui robot este strâns legat de domeniul de lucru al acestuia, de gama aplicatiilor la care participa. Acest spatiu este definit direct de parametrii arhitecturii mecanice a robotului si este restrictionat pe de o parte de anumite caracteristici ale elementelor interne, mecanice, si pe de alta parte de caracteristicile obiectelor implicate în procesul tehnologic.

Sursa de energie constituie suportul energetic necesar pentru punerea în miscare atât a elementelor mobile ale robotului cât si pentru asigurarea alimentarii electrice a sistemului de actionare si a celui de conducere.

Sursa de informatie defineste modul de operare al robotului, caracteristicile de baza ale functionarii acestuia, structura algoritmilor de conducere în functie de specificul operatiei, de modul de prelucrare a informatiei de baza (în timp real sau nu) si de relatia robot - operator existenta în procesul de operare. Aceasta relatie poate determina functionarea automata, independenta, a robotului sau în asociere cu operatorul (de exemplu sistemele de teleoperare).

Robotul, componenta de baza a acestui sistem, este format din doua parti: unitatea de prelucrare a informatiei si unitatea operationala.

Unitatea de prelucrare a informatiei este un compl 252h76c ex hardware-software ce primeste date privind instructiunile ce definesc operatiile executate, masuratori privind starea unitatii operationale, observatii asupra spatiului de operare al robotului, date pe baza carora determina în conformitate cu algoritmii de conducere stabiliti, deciziile privind modalitatea de actionare a unitatii operationale etc.

Unitatea operationala corespunde robotului propriu-zis cuprinzând structura mecanica a acestuia si sistemul de actionare asociat. Aceasta unitate actioneaza asupra spatiului de operare utilizând si transformând energia furnizata de sursa si reactionând adecvat la semnalele primite din exterior. În componenta robotului distingem: elementele care interactioneaza direct cu spatiul de operare (elementele efectoare, gripere sau mâini), componente de structura (articulatii, segmente), modulatoare de energie (amplificatoare), convertoare de energie (motoare), sisteme de transmisie a energiei mecanice si senzori interni.

Figura 1.2

Robotul actioneaza asupra spatiului sau de operare sub diverse forme: deplasarea unor piese în anumite pozitii (manipulare), prelucrarea si transformarea unor produse, asamblarea unor componente, dezasamblarea unor piese în componentele lor, sudarea pieselor, masurarea unor parametrii specifici ai produselor sau chiar a spatiului de operare etc. În figura 1.2 sunt prezentate câteva din aceste operatii [39, 62], operatia de manipulare a unor piese pentru o prelucrare ulterioara la o masina unealta (figura 1.2, a), operatia de vopsire (figura 1.2, b) si operatii de asamblare (figura 1.2, c).

Numeroasele aplicatii si functiuni exercitate de un robot pun în evidenta doua caracteristici esentiale ale acestor sisteme: versatilitatea si autoadaptarea la mediu.

Versatilitatea defineste capacitatea fizica a robotului de a realiza diverse functii si de a produce diverse actiuni în cadrul unei aplicatii tehnologice date. Aceasta proprietate este strâns legata de structura si capacitatea mecanica a robotului, ea implicând configuratii mecanice cu geometrie variabila a caror flexibilitate sa acopere cerintele de operare.

Autoadaptarea constituie, de asemenea, o proprietate deosebit de importanta a robotilor ce confirma gradul de "inteligenta" al acestor sisteme. Ea defineste capacitatea acestora de a lua initiativa în realizarea unor operatii incomplet specificate prin programul de conducere, proprietatea de a sesiza anumite modificari ale mediului de operare, posibilitatea de a stabili un plan complet de operatii având jalonate numai anumite faze semnificative etc.

1.2. Componentele fundamentale ale structurii mecanice

Robotii industriali utilizati în momentul de fata prezinta solutii constructive si conceptuale neunitare datorita, în special, diversitatii sarcinilor cerute, parametrilor tehnici impusi si aplicatiilor specifice pentru care au fost proiectati. Cu toata aceasta aparenta neunitate, robotul prin structura sa mecanica poate fi considerat ca un sistem omogen format din elemente cu functii bine precizate care asigura interactiunea nemijlocita între robot si obiectul actiunii sale din spatiul de operare.

Principalele componente ale structurii mecanice sunt: elementul efector, bratul si baza robotului

Elementul efector denumit uneori si griper, element de prehensiune, mâna sau pur si simplu element terminal asigura contactul direct, nemijlocit dintre robot si obiectul din spatiul de operare asupra caruia actioneaza. Acest element difera constructiv dupa gama aplicatiilor si dupa natura functiei realizate. Astfel, elementele efectoare utilizate în sudura difera de cele folosite în operatiile de manipulare sau de vopsire.

Un astfel de element cuprinde:

corpul propriu-zis, cu o structura mecanica adecvata functiei realizate;

unul sau mai multe dispozitive de actionare;

unul sau mai multi senzori pentru determinarea regimurilor critice ale operatiei realizate.

Trebuie remarcat faptul ca solutiile constructive adoptate tind spre realizarea fie a unui element multifunctional cu o gama larga de aplicatii, fie spre un element efector monofunctional cu o destinatie precisa.

Bratul robotului serveste pentru pozitionarea corecta a elementului efector. În acest scop, bratul reprezinta o structura mecanica cu o geometrie variabila obtinuta prin legarea în cascada a unor segmente conectate prin articulatii de rotatie sau translatie. Sistemele de actionare corespunzatoare asigura miscarile independente ale fiecarui segment în raport cu segmentul precedent. Aceste miscari sunt în general restrictionate de anumite caracteristici ale arhitecturii mecanice.

Toate aceste elemente si subansamble se monteaza pe un cadru special ce formeaza baza robotului. Aceasta baza se aseaza fie pe un postament fix sau mobil (în functie de tipul robotului), fie se suspenda pe o cale de ghidare cu sina.

Elementele enumerate formeaza structura de baza a oricarui robot industrial. În afara de aceasta structura "clasica", în constructia robotilor pot apare sisteme de locomotie, sisteme cu 2-3 brate, sisteme cu 2-3 elemente efectoare etc.

1.3. Robotul - obiect de conducere

Robotii, prin structura si functiile lor reprezinta o clasa de sisteme ce sintetizeaza elemente de vârf dintr-o serie de domenii tehnico - stiintifice. De fapt, prin atributiile sale robotul imita sau substituie functiile de locomotie, manipulare si de intelect ale omului. Este evident, deci, ca robotul reprezinta un sistem extrem de complex, descris prin modele matematice sofisticate definite prin sisteme de ecuatii diferentiale neliniare, cu parametrii variabili, deterministe sau stohastice, cuprinzând un numar mare de variabile de intrare si iesire.

Functia de baza a robotului este reprezentata de miscarea acestuia în spatiu, deci regimurile statice si dinamice ale structurii mecanice vor reprezenta punctul de plecare în definirea robotului ca obiect de conducere.

Pentru exemplificare, sa consideram un robot cu trei articulatii de rotatie (figura 1.3). Miscarea, evolutia robotului, este determinata de cele trei momente M₁, M₂, M₃ aplicate în articulatii, acestea determinând rotirea segmentelor corespunzatoare si deci obtinerea unei noi pozitii a bratului, pozitie definita prin noile valori ale unghiurilor q₁, q₂, q₃.

Figura 1.3

Considerat, deci, ca obiect orientat de conducere, robotul primeste un vector de intrare definit de fortele generalizate aplicate în articulatii si genereaza un vector de iesire format din unghiurile (sau deplasarile) articulatiilor.

Analiza ca obiect condus impune, totodata, definirea vectorului de stare al robotului. În general, acest vector este determinat de coordonatele generalizate stabilite în articulatii (unghiuri sau deplasari) si de derivatele acestora (vitezele generalizate ale miscarii). Relatiile intrare - stare - iesire specifice robotului sunt date prin ecuatii diferentiale, neliniare, obtinute pe baza regimurilor dinamice ale acestuia. Deducerea acestor ecuatii si analiza cantitativa si calitativa a miscarii vor constitui obiectul capitolelor urmatoare ale lucrarii.

Reprezentarea din figura 1.3 corespunde unei descrieri formale a robotului ca obiect condus fara a preciza implicatiile tehnologice ale structurii de conducere.

Figura 1.4

În figura 1.4 sunt prezentate solutii constructive privind principalele blocuri ale unui astfel de sistem. Se observa ca variabilele principale ce intervin în conducerea robotului sunt generate sau prelucrate în blocuri si componente specializate. Astfel, activarea articulatiilor mecanice este realizata prin intermediul blocului de actionare care, pe de o parte determina algoritmul de control pentru fiecare articulatie, iar pe de alta parte asigura sursa energetica necesara miscarii.

Masurarea informatiilor de deplasare precum si toate celelalte date care restrictioneaza miscarea în spatiul de operare este realizata într-un bloc senzorial. El este format practic din sisteme de traductoare specializate pentru masuratori unghiulare sau liniare precum si din senzori specializati de tip tactil, de forta - moment sau vizuali care ofera robotului o mai completa adaptabilitatea la modificarile mediului de operare.

Informatiile furnizate sunt captate de un calculator specializat care, pe baza unor algoritmi implementati hardware (microprogramati) sau software, genereaza controlul adecvat al sistemului de actionare.

1.4. Sistem de conducere - sistem ierarhic

Structura de conducere al unui robot este o structura ierarhica. Acest principiu de conducere este datorat complexitatii deosebite a sistemelor ce intra în componenta robotului si a dificultatilor create de sarcinile de operare impuse.

Organizarea ierarhica a sistemelor de control pentru roboti este de tip vertical, fiecare nivel ierarhic acoperind nivelul inferior sub raportul problemelor de conducere abordate. Un nivel de control comunica cu nivelul imediat inferior prin instructiuni de control si primeste de la acesta informatii caracteristice care, împreuna cu deciziile furnizate de nivelul imediat superior, îi permit sa stabileasca strategia viitoare de actiune.

În general sistemele robot cuprind un numar variabil de nivele ierarhice în functie de complexitatea si gradul de "inteligenta" al sistemului de conducere utilizat.

Nivelul ierarhic superior îl reprezinta la roboti, ca si la alte sisteme complexe de conducere, operatorul uman. Acesta comunica cu sistemul de conducere sub diverse moduri, intervenind periodic numai în cazul schimbarii unor directii strategice de conducere, situatii de avarie sau în cazul aparitiei unor perturbatii externe neprevazute.

Sistemul de conducere propriu-zis cuprinde patru nivele ierarhice. Nivelul cel mai înalt corespunde sistemelor ce au posibilitatea recunoasterii obstacolelor în spatiul de operare si permite luarea unor decizii adecvate la schimbarea conditiilor de lucru. Nivelul imediat inferior este denumit nivel strategic în care se produce defalcarea operatiei preconizate în operatii elementare. Nivelul urmator este denumit nivel tactic, în el producându-se distribuirea miscarilor elementare în miscarea pe fiecare grad de libertate, deci, în cadrul sau generându-se efectiv traiectoriile de miscare. Ultimul nivel, nivelul inferior, este nivelul executiv, acesta coordonând functionarea diverselor sisteme de actionare asociate gradelor de

libertate ale robotului.

Figura 1.5

Aceste patru nivele ierarhice sunt întâlnite evident la robotii cu o organizare superioara care apartin generatiilor 2 sau 3. Robotii sau manipulatoarele industriale uzuale ( generatia 1) au sisteme de conducere cu numai doua nivele ierarhice, nivelele inferioare.

1.5. Cerintele sistemului de conducere

a Generarea traiectoriilor pentru realizarea unei miscari impuse.

Un robot, indiferent de destinatia sa, trebuie sa execute o miscare bine determinata în cadrul careia elementul terminal (mâna) evolueaza pe o curba impusa într-un sistem de referinta dat. Evident, ca aceasta miscare trebuie corelata cu o unitate de timp, orice aplicatie tehnologica la care este solicitat un robot fiind strâns conditionata de o variabila temporala.

O curba, definita în spatiul de operare al robotului, careia i se asociaza o variabila de timp este numita în mod curent traiectorie.

Figura 1.6

Precizarea traiectoriei de miscare reprezinta un element esential pentru asigurarea unor performante corespunzatoare. Aceasta înseamna, de fapt, stabilirea unei legaturi biunivoce între fiecare punct de pe curba miscarii si momente de timp bine-precizate, deci practic cunoasterea în fiecare punct a vitezei si acceleratiei miscarii. Alegerea traiectoriei de miscare depinde de o serie de factori dintre care se pot cita: tipul aplicatiei robotizate, restrictiile existente în spatiul de operare, caracteristicile mecanice ale robotului etc. În figura 1.6 sunt prezentate doua traiectorii între punctele initiale P_i si finale P_f   impuse. În primul caz, evolutia poate fi realizata pe orice traiectorie între cele doua puncte, în al doilea caz, o zona de restrictii delimiteaza spatiul de operare admis. Determinarea traiectoriei miscarii, deci determinarea succesiunii în timp a pozitiilor, vitezelor si acceleratiilor pentru fiecare element al structurii mecanice constituie asa-numita "problema directa de
conducere".

Figura 1.7

În figura 1.7 este prezentata aceasta problema pentru un manipulator ipotetic cu doua grade de libertate ce evolueaza în planul YOZ. Sunt precizate pozitiile unghiulare q₁ , q₂   în câteva puncte din traiectorie precum si distributiile vitezelor si acceleratiilor pe intervalul miscari.

O a doua problema ce deriva direct din problema directa se refera la determinarea valorilor fortelor si momentelor, pe fiecare articulatie, astfel încât structura mecanica sa realizeze traiectoria dorita. Acest calcul al fortelor si momentelor din coordonatele pozitiilor si vitezelor constituie "problema inversa de conducere" si reprezinta o sarcina de baza a nivelului tactic în sistemul de conducere al robotilor.

În contextul existentei unei structuri ierarhizate de conducere, implementarea unei traiectorii se poate realiza în doua moduri: la nivelul inferior în care sistemul de comanda primeste amanuntit datele privitoare la pozitia, viteza si acceleratia în orice moment si la nivel superior în care se utilizeaza un limbaj de nivel înalt, de programare, datele introduse reprezentând o descriere sumara a caracteristicilor traiectoriilor. Prima varianta numita si programare explicita presupune cunoasterea amanuntita de catre operator (programator) a întregului sistem robot - spatiu de operare, ceea ce nu este întotdeauna posibil. A doua varianta introduce facilitati evidente în munca de programare dar presupune existenta unor structuri de comanda de nivel înalt.

În unele cazuri, complexitatea operatiilor realizate face extrem de dificila programarea explicita si cu totul nepractica programarea la nivel înalt. În aceste situatii se prefera asa-numita "programare prin instruire". Robotul executa miscarea dorita sub controlul direct al operatorului (comanda manuala), îsi însuseste, "învata", parametrii miscarii si repeta, ulterior, aceasta miscare în cadrul executiei normale. Aceasta tehnica este extrem de mult utilizata datorita, în primul rând, simplitatii procedurii si, în al doilea rând, datorita cerintelor reduse impuse echipamentului de conducere.

b) conducerea în circuit închis

Discutia de mai sus a pus în evidenta problema programarii unei traiectorii compatibile cu obiectivul propus ca o conditie necesara pentru executarea functiei impuse robotului. Sistemul generator de traiectorie va furniza deci robotului succesiunea de variabile de pozitie, viteza si acceleratie care asigura regimurile de miscare corespunzatoare. Din nefericire, conditiile reale în care opereaza un robot fac ca generarea unei traiectorii corecte sa nu reprezinte o conditie suficienta pentru asigurarea performantelor dorite. Cauzele sunt multiple si ele rezida în principal în: perturbatiile imprevizibile în mediul de operare, în imprecizia modelelor utilizate, limitari ale preciziei de calcul, efecte mecanice de vibratii si frecare etc. Toate aceste elemente pot perturba considerabil si pot determina o alterare substantiala a regimurilor de lucru. Formal, aceste dificultati pot fi depasite prin utilizarea unei structuri de reglare a miscarii în bucla închisa (figura 1.8)

Figura 1.8

Informatia de deplasare, primita de la un sistem de traductoare corespunzator, este comparata cu valorile prescrise impuse de generatorul de traiectorii, eroarea rezultata servind ca marime de intrare într-un sistem de reglare ce asigura corectarea abaterilor de traiectorie si totodata regimuri tranzitorii si stationare corespunzatoare. Sistemul de reglare este unic pentru întregul sistem de conducere, iesirile acestuia activând blocurile de actionare ale fiecarei articulatii mecanice. O astfel de structura de comanda este denumita structura centralizata si ea impune existenta unui calculator suficient de puternic pentru implementarea legilor de reglare la nivelul întregii structuri mecanice.

O solutie frecvent utilizata în majoritatea robotilor industriali este conducerea descentralizata a miscarii (figura 1.9) în care legea de reglare este caracteristica fiecarei articulatii, separata pe fiecare grad de libertate, influenta celorlalte elemente din structura mecanica reprezentând efecte perturbatoare.

Figura 1.9

Un astfel de sistem de conducere este, de cele mai multe ori, preferabil datorita simplitatii algoritmilor de reglare si, deci, implicit datorita necesitatilor relativ modeste de resurse hardware.

c) Conducerea miscarii în contact direct   cu obiectele (conducerea complianta )

O caracteristica deosebita a operarii unui robot este miscarea acestuia în contact nemijlocit cu suprafata obiectelor. O astfel de miscare apare în operatiile de asamblare, într-o serie de operatii de prelucrare tehnologica, sudura etc.

Într-o astfel de miscare, controlul traiectoriei prin masurarea pozitiilor este nepractic si, de cele mai multe ori, eronat datorita impreciziei în determinarea exacta a ecuatiilor suprafetei de contact. Din acest motiv, controlul traiectoriei este realizat prin masurarea fortei de apasare pe suprafata obiectului.

Pentru exemplificare, sa consideram manipulatorul din figura 1.10a ce executa deplasarea unui obiect din punctul A în punctul B de-a lungul suprafetei S. Controlul se poate realiza prin definirea unei traiectorii paralele cu suprafata si utilizarea unor legi de miscare corespunzatoare dar este evident ca în cazul unor denivelari accidentale ale unei suprafetei miscarea dorita nu mai poate fi realizata.

Figura 1.10

În acest caz, se prefera introducerea, pe lânga bucla de control a miscarii, a unei bucle de reglare a fortei de apasare dintre robot si suprafata (figura 1.10b). Aceasta bucla preia sarcinile de control pe baza informatiilor furnizate de un traductor de forta montat pe mâna robotului. Trebuie subliniat faptul ca o astfel de structura de comanda presupune existenta unui sistem de conducere de nivel superior capabil sa impuna trecerea de la o bucla de control la alta în conformitate cu specificatiile problemei de conducere.

1.6. Structura informationala a sistemelor de conducere

Sarcinile care stau în fata unui sistem de conducere determina o împartire a informatiilor de lucru în doua clase, pe de o parte informatii ce asigura regimul de miscare dorit si pe de alta parte informatii ce acopera functia tehnologica impusa robotului. În figura 1.11, ramura din stânga corespunde informatiilor de miscare. Programele de miscare cuprind elemente de baza ale algoritmilor de miscare ce calculeaza între anumite puncte, prin tehnici de interpolare, traiectoria robotului.

Informatia rezultata este defalcata pe axele de miscare si serveste ca referinta în actionarea efectiva a bratului mecanic. Acest traseu informational este prevazut cu 4 cai de reactie. Reactia de tip α este o reactie obtinuta prin constructie mecanica si nu afecteaza procesul de control al miscarii [40, 41].

Figura 1.11

Reactia β asigura corectiile necesare pentru mentinerea robotului pe traiectorie. Informatia respectiva este obtinuta de la traductoarele de deplasare montate pe fiecare articulatie. Calea de reactie γ asigura modificari cantitative si calitative în programele de miscare. Aceste modificari sunt determinate de informatiile furnizate de un sistem senzorial adecvat care identifica modificari în structura spatiului de operare (schimbarea pozitiei obiectelor, aparitia unor obstacole etc.) Reactia δ determina o gestionare interna (proprie) a programelor de conducere în functie de modificarile survenite în procesul tehnologic si eventual în comportarea robotului.

Ramura din dreapta a fluxului informational (figura 1.11) corespunde informatiilor ce activeaza elementele terminale, sistemul efector si dispozitivele de prelucrare tehnologica.

Figura 1.12

În figura 1.12 sunt prezentate detaliat blocurile componente ce intervin în prelucrarea informationala ce însoteste procesul de conducere al unui robot. Legaturile externe ale sistemului sunt realizate sub forma unui dialog catre un operator local sau catre un calculator ce supervizeaza sistemul. Prin aceste doua interfete se obtine practic o gestiune adecvata a sistemului de programe. Programul de conducere selectat determina cele doua functii: de miscare si de operare tehnologica, fiecare din acestea fiind realizate prin bucle de control proprii.

1.7 Structura programelor de conducere

Organizarea programelor de conducere reprezinta un aspect foarte important în sistemele de conducere ale robotilor, de aceasta depinzând în mare masura performantele realizate si complexitatea solutiilor hardware adoptate.

Cea mai simpla modalitate de realizare a programelor este bazata pe exploatarea secventiala a blocurilor componente în cadrul unei structuri fixe, de lungime constanta (figura 1.13) [62].

Fiecare bloc de informatie contine ansamblul de date ce defineste o anumita comanda. Succesiunea de comenzi, într-o ordine bine precizata, determina o operatie tehnologica completa a robotului.

Figura 1.13

Explorarea blocurilor este realizata de un registru distribuitor incremental la sfârsitul fiecarei secvente tehnologice (o secventa tehnologica reprezinta efectul obtinut prin exercitarea unei singure comenzi).

O modalitate superioara de conducere este obtinuta prin structurile variabile de programe (figura 1.14). În acest caz, trecerea de la o comanda la alta este realizata într-o maniera adaptiva, pe baza deciziilor furnizate de ultimul bloc de date si pe baza informatiilor furnizate de sistemul senzorial al robotului, deci pe baza ultimelor rezultate obtinute din spatiul de operare al acestuia. O astfel de structura confera sistemului de conducere o elasticitate ridicata, o flexibilitate sporita la orice modificari ale parametrilor robotului sau mediului de lucru.

Figura 1.14

1.8. Implementari tehnologice ale sistemelor de conducere

Complexitatea sistemului de conducere si gradul de dificultate al operatiilor executate determina adoptarea unor tehnologii specifice de implementare a legilor de conducere.

Solutiile oferite de majoritatea robotilor si manipulatoarelor industriale pot fi grupate în doua clase: implementari în logica cablata si implementari în logica flexibila (programata). Prima clasa este reprezentativa pentru acele tipuri de roboti secventiali si manipulatoare care au sisteme de conducere cu cel mult doua nivele ierarhice (inferioare), nivelul executiv si tactic.

Legile de conducere sunt de tip secvential si prezinta un pronuntat caracter de rigiditate, traiectoriile de miscare, impuse de operatiile executate, pastrând constante forma si marimile lor semnificative. Tehnologic aceste sisteme sunt realizate în doua variante: fluidic si electronic. Solutia fluidica este întâlnita la primele tipuri de manipulatoare industriale, în momentul de fata preferându-se aproape în exclusivitate tehnologiile de tip electronic. (figura 1.15).

Solutiile flexibile de conducere corespund cerintelor impuse de robotii industriali moderni. Ele ofera avantaje deosebite atât sub raportul performantelor realizate cât si în ceea ce priveste complexitatea problemelor tratate si simplitatea structurilor hardware utilizate. Practic, aceste sisteme sunt implementate în patru variante: cu logica flexibila de tip microprogramat, cu automate programabile, microprocesoare si microcalculatoare.

Aceasta esalonare indica de fapt si complexitatea solutiilor adoptate, structurile microprogramate corespunzând unor legi de conducere simple iar conducerea cu microprocesoare si microcalculatoare fiind specifica sistemelor complexe cu o comportare adaptiva fata de schimbarile mediului de operare.

Figura 1.15

1.9 Arhitecturi de conducere

Complexitatea functiilor realizate si solutia tehnologica de implementare adoptata sunt elemente care prefigureaza o anumita arhitectura de conducere.

Sistemele de conducere în logica cablata se bazeaza în principiu pe un automat secvential a (figura 1.16) realizat dintr-un registru de deplasare urmat de o logica de decodificare corespunzatoare. Registrul constituie suportul de stare al automatului, pentru fiecare stare robotul executând o anumita secventa functionala. La sfârsitul fiecarei secvente se genereaza un semnal ce determina incrementarea pas cu pas a registrului. Simplitatea schemei face ca o astfel de structura de conducere sa fie deseori de preferat în comanda manipulatoarelor si a robotilor industriali de tip secvential.

Structurile flexibile cu logica microprogramata sânt realizate dintr-un automat secvential constituit dintr-un secventiator programabil si o memorie a carui set de instructiuni defineste atât comenzile necesare fiecarei secvente, cât si evolutia viitoare a automatului si conditiile externe care pot guverna aceasta evolutie. Flexibilitatea sistemului este conferita de elasticitatea informatiei rezidenta în memorie atât sub raport cantitativ cât si calitativ (figura 1.17).

Figura 1.16

O structura superioara de conducere este oferita de automatele programabile. Acestea înlocuiesc practic structurile cablate cu structuri logice programabile (figura 1.18) de tipul memoriilor semiconductoare, retelelor logice programabile (PLA), circuitelor specializate programabile etc. Se obtine, în acest fel, o flexibilitate ridicata a modurilor de operare, o valorificare maxima a capacitatilor de memorie iar prin introducerea unei unitati de dialogare se permite interventia operatorului uman în stabilirea unor regimuri de lucru prioritare.

Figura 1.17

Sistemele de conducere cu microprocesoare realizeaza o serie de functii de conducere si supraveghere a robotilor utilizând întreaga gama a operatiilor logice si de calcul aritmetic, evaluari cantitative si calitative a unor marimi, prelucrarea unor semnale prin algoritmi de conducere discreta etc. Aceste sisteme au ca suport hardware (figura 1.19) familii de microprocesoare pe 8 sau 16 biti sau microprogramate.

Pentru prelucrarea mixta a semnalelor binare si a celor numerice, sistemele de acest tip sunt implementate si în configuratii de tip biprocesor, formate din sectiuni diferite specializate pe interpretarea unor marimi pur secventiale sau a unora numerice

Astfel de sisteme se introduc, în mod firesc, în structuri de conducere ierarhizate, fiecare procesor preluând unul din nivelele ierarhice proprii conducerii robotilor

Figura 1.18

1.10 Concluzii

Majoritatea robotilor si manipulatoarelor industriale opereaza în practica în conditii cunoscute anticipat, functionând ciclic în conformitate cu cerintele tehnologice impuse. Ca urmare, este posibila sinteza unei conduceri nominale, a unui control programat, ce implementeaza miscarea dorita pentru o stare initiala particulara considerând ca nici o perturbatie nu afecteaza miscarea. Un astfel de control poate fi sintetizat utilizând modelul centralizat (global) al robotului.   Întrucât aceste modele sunt, în general, destul de precise, este de asteptat ca traiectoria realizata de robot prin exercitarea acestui control sa fie destul de corect executata.

Sinteza acestui control este realizata, de obicei, off-line definind mai întâi traiectoria de miscare în conformitate cu cerintele tehnologice de functionare ale robotului si calculând apoi marimile de control necesare pentru actionarea acestuia.
Aceasta înseamna ca nivelul de control tactic se reduce la o simpla memorare a traiectoriilor si a secventelor de control adecvate.

Figura 1.19

Aceasta solutie este, în general, unanim acceptata în aplicatiile industriale ale robotilor si manipulatoarelor, calculul off-line al controlului fiind realizat într-un calculator suficient de puternic, ce acopera un numar mare de sisteme de conducere, în timp ce controlul efectiv al robotilor la nivel executiv cade în sarcina unor automate locale, microprocesoare sau microcalculatoare specializate.

O problema deosebita, în sinteza controlului la nivel tactic, apare datorita redundantei structurii mecanice. Aceasta problema poate fi eliminata prin introducerea unor criterii suplimentare care sa penalizeze si sa restrictioneze posibilitatile de miscare ale robotului. În acest fel, o conducere optima sau suboptimala satisface pe de o parte anumite criterii de performanta si înlatura, pe de alta parte, aspectele conducerii redundante. Evident ca o astfel de tratare presupune o abordare la nivele ierarhice superioare, algoritmii respectivi necesitând un suport hardware si software substantial.

Complexitatea modelelor matematice ale întregii structuri mecanice face, de cele mai multe ori, improprie implementarea unor algoritmi de conducere. În acest caz, este preferata decuplarea modelului în subsisteme, în mod normal fiecarei articulatii (sau a unei grupe de articulatii) asociindu-i-se un subsistem. Legea de conducere este determinata din conditiile de stabilizare locala a fiecarui subsistem ceea ce nu conduce întotdeauna la o comportare satisfacatoare pe ansamblul problemei de conducere. În astfel de situatii se introduc suplimentar bucle de reactie globala care sa îmbunatateasca performantele dinamice ale sistemului. Noua configuratie de conducere obtinuta poate deveni atât de complexa încât decuplarea realizata în prima faza îsi pierde sensul.

Cu toate aceste neajunsuri, tehnica decuplarii poate fi utilizata cu succes daca se tine cont de faptul ca, în conditiile definirii fiecarui grad de libertate ca un subsistem propriu, cuplajul între subsisteme este determinat de fortele si momentele in articulatie. Este posibil sa se elimine interactiunea dintre subsisteme prin introducerea unor bucle de compensare adecvate. Aceasta metoda prezinta inconvenientul utilizarii unor traductoare forta - moment, în general traductoare pretentioase, costisitoare. Cu toate acestea, procedura este atractiva datorita, în special, utilizarii unor algoritmi de conducere mult mai simpli decât în varianta clasica.

Conducerea robotilor prin masurarea fortelor-momentelor se impune de asemenea în operatiile de asamblare când robotul vine în contact direct cu anumite obiecte. În acest caz, conducerea prin controlul fortei permite o mai buna adaptare la fluctuatiile parametrilor spatiului de operare realizând totodata performante dinamice satisfacatoare.