Bazele roboticii – Dinamica robotilor de tip manipulator

Timp de citit: 7 minute

Autor: Ioan D. Doroftei
An aparitie: 2006
Facultatea de Mecanica – Iasi

Ce este robotica?

Robotica este un domeniu fascinant, interdisciplinar, ce merita abordat de cei pasionati de tehnica, chiar daca acestia nu sunt interesati de a face cariera in acest domeniu.

Pe de o parte, exista o mare diversitate de aplicatii excitante, in permanenta fiind posibila conceperea unor noi sisteme. Pe de alta parte, robotii sunt interesanti prin ei insisi, crearea de oameni artificiali, spre exemplu, constituind preocuparile multor cercetatori.

Datorita realizarilor in domeniul interdisciplinar numit robotica, astazi robotii, practic, fac parte integranta din viata noastra. Daca la inceput acestia erau utilizati doar pentru inlocuirea omului in activitatile industriale grele si murdare, evolutia rapida a acestui domeniu conduce la o "explozie" a aplicatiilor robotilor, in special in sfera serviciilor.

Ce prezinta lucrarea?

Lucrarea se adreseaza atat studentilor din domeniul Mecatronica si Robotica, studentilor de la alte specializari din cadrul Universitatii Tehnice "Gh. Asachi" Iasi, cat si tuturor inginerilor si tehnicienilor, care lucreaza in cercetarea, proiectarea si exploatarea robotilor industriali si nu numai. Aceasta lucrare acopera doar categoria robotilor de tip manipulator.

Cursul de fata este structurat pe 9 capitole si 3 anexe. Primul capitol face o introducere generala in ceea ce inseamna conceptele de robot si robotica, prezentant si efectele economice si sociale ale robotizarii, respectiv o clasificare a robotilor si aplicatiile acestora.

Capitolul 2 este destinat structurii sistemului mecanic. Dupa o prezentare generala a arhitecturii acestui sistem si definirea unor elemente de baza, este studiat fiecare mecanism ce intra in componenta acestuia.

Pentru determinarea pozitiilor relative ale elementelor cinematice din structura unui manipulator, este necesara efectuarea unor transformari de coordonate. In acest context, capitolul 3 contine principalele aspecte ale acestor transformari: matricea simpla de rotatie, matricea simpla de translatie, matricea de transformare omogena, parametrii lui Euler, unghiurile lui Euler, etc.

Capitolul 4, intitulat "Cinematica directa a pozitiilor" prezinta o metodologie simpla de analiza a robotilor seriali plani, precum si metotele de analiza a robotilor spatiali, pe baza conventiilor Denavit-Hartenberg.

In practica industriala, de cele mai multe ori, se impune traiectoria efectorului final, punandu-se problema determinarii parametrilor cuplelor cinematice, ceea ce se numeste cinematica inversa a pozitiilor, aceasta fiind abordata in capitolul 5.

Capitolul 6 prezinta o metoda recursiva de propagare a vitezelor si acceleratiilor de la un element la altul. De asemenea, sunt definite matricele Jacobiene, geometrica si analitica, metodologia de determinare a acestora si relatia de legatura dintre ele, prezentanduse si problemele de singularitate ce apar in functionarea unui manipulator.

Capitolul 7, intitulat "Statica robotilor de tip manipulator" prezinta o metoda recursiva de determinare a fortelor si momentelor statice, care actioneaza asupra elementelor unui robot de tip manipulator, precum si a cuplului necesar actuatorului unei cuple cinematice.

In capitolul 8, dupa o scurta trecere in revista a unor aspecte privind dinamica unui corp rigid, sunt discutate doua metode de determinare a ecuatiilor dinamice de miscare ale unui manipulator.

Capitolul 9 discuta o serie de functii, ce pot fi utilizate pentru generarea traiectoriei unui robot de tip manipulator, in spatiul cuplelor cinematice sau in spatiul de lucru.

Pentru a usura intelegerea teoriei prezentate, fiecare capitol contine exemple sugestive.

In sprijinul modelelor matematice utilizate pe parcursul lucrarii, anexele A, B si C reamintesc o serie de aspecte referitoare la calculul vectorial si matriceal, respectiv unele formule necesare pentru efectuarea analizei cinematice a robotilor de tip manipulator.

Evenimente cheie in istoria robotilor

Desi cuvantul robot este relativ nou, cercetari in domeniul roboticii au fost efectuate cu mult timp in urma, dupa cum se poate observa in lista de mai jos:

1920 – Scriitorul ceh Karel Capek foloseste cuvantul robot in piesa de teatru Robotii universali ai lui Rossum (R.U.R.). Cuvantul provine din limba ceha, in care "robotnik" inseamna muncitor sau sclav.

1938 – Este proiectata prima masina programabila de vopsire prin pulverizare, de americanii Willard Pollard si Harold Roselund, DeVilbiss Company.

1942 – Scriitorul canadian de origine rusa Isaac Asimov utilizeaza pentru prima data cuvantul robotica in povestirile sale stiintifico-fantastice (publica "Runaround") si formuleaza cele trei legi fundamentale ale roboticii.

1946 – Americanul George Devol obtine patentul pentru un sistem de inregistrare magnetica a informatiei, utilizat pentru controlul masinilor (utilizand un inregistrator magnetic); J. Presper Eckert si John Mauchly au realizat primul calculator electronic (ENIAC) la Universitaty of Pensilvania; La MIT, primul calculator digital Whirlwind rezolva prima sa problema.

1948 – Norbert Wiener, profesor la MIT, publica "Cybernetics or Control Communication in the Animal", o carte care descrie conceptul de comunicare si control in electronica, mecanica si sisteme biologice.

1951 – Raymond Goertz, Franta, proiecteaza primul manipulator articulat teleoperat, pentru Comisia de Energie Atomica. Proiectul este bazat in totalitate pe legaturile mecanice dintre sistemul "master2 si sistemul "slave" (utilizand cabluri de otel si fulii). Sisteme derivate ale acestui proiect sunt inca intalnite acolo unde este necesara manipularea de probe nucleare. Acest proiect este in general privit ca o piatra de hotar majora in tehnologia de control a fortelor.

1953 – Seiko Corporation utilizeaza roboti in miniatura pentru asamblare de ceasuri.

1954 – George Devol proiecteaza primul robot programabil si inventeaza termenul Universal Automation, pregatind numele pentru viitoarea sa companie – Unimation.

1958 – Joseph F. Engelberger si George C. Devol fondeaza Unimation, prima companie comerciala de producere a robotilor. Realizeaza primul lor robot, numit "Unimate". Primul Unimate este instalat la fabrica General Motors, pentru a deservi o masina de turnare sub presiune.

1959 – Marvin Minsky si John McCarthy infiinteaza Laboratorul de Inteligenta Artificiala la MIT.

1960 – Condec Corporation cumpara Unimation si incepe producerea robotilor Unimate.

1960 – American Machine and Foundry, mai tarziu cunoscuta ca AMF Corporation, face primul studiu de piata pentru robotul in coordonate cilindrice numit Versatran, proiectat de Harry Johnson si Veljko Milenkovic.

1961 – Ernst (MIT, SUA) realizeaza mana mecanica cu senzori, MH-1.

1962 – General Motors cumpara primul robot industrial de la Unimation si il instaleaza intr-o linie de productie, pentru a deservi o masina de turnare sub presiune.

1963 – Robotul industrial Versatran devine comercial.

1963 – John McCarthy conduce noul Laborator de Inteligenta Artificiala de la Stanford University

1964 – Este fondata C&D Robotics.

1965 – Carnegie Mellon University infiinteaza Institutul de Robotica.

1966 – Sunt instalati primii roboti de vopsire in fabrici din Byrne, Norvegia.

1966 – Aterizeaza pe luna naveta spatiala robotizata "Surveyor", trimisa de NASA.

1967 – Ralph Moser (General Electric, SUA) realizeaza un robot pasitor patruped, proiectul fiind finantat de Departamentul de Aparare.

1967 – Japonia importa robotul Versatran de la AMF (primul robot importat in Japonia).

1968 – La Stanford Reserch Institute, California, este construit primul sistem robotizat complet, Shakey, cu vedere artificiala, controlat de un calculator de marimea unei camere.

1968 – Unimation primeste prima comanda de roboti, de la General Motors.

1969 – La Stanford Research Institute se fac demonstratii privind utilizarea vederii artificiale pentru ghidarea robotilor mobili.

1969 – La General Motors, robotii Unimate asambleaza caroseria autoturismului Chevrolet Vega.

1970 – General Motors devine prima companie ce utilizeaza vederea artificiala intr-o aplicatie industriala. Este instalat sistemul Consight la o turnatorie din St. Catherines, Ontario, Canada.

1970 – Se desfasoara primul simpozion american de robotica, la Chicago.

1970 – Profesorul Victor Scheinman, Stanford University, proiecteaza manipulatorul Stanford. Astazi, cinematica sa ramane cunoscuta ca manipulatorul Stanford.

1971 – Japonia infiinteaza Asociatia Japoneza de Robotica Industriala (Japanese Industrial Robot Association, JIRA) si devine prima natiune ce are o asemenea organizatie.

1972 – Kawasaki instaleaza o linie de roboti de asamblare la Nissan, Japonia, utilizand roboti fabricati de Unimation, Inc.

1973 – Apare prima revista internationala de robotica, "The Industrial Robot".

1973 – ASEA, Suedia, introduce pe piata robotii IRb 6 si IRb 60, actionati electric, roboti conceputi pentru automatizarea operatiilor de debavurare.

1973 – Cincinnati Milacron realizeaza T3, primul robot industrial controlat de minicalculator (proiectat de Richard Hohn).

1974 – Profesorul Victor Sheinman infiinteaza Vicarm, Inc. pentru comercializarea unei versiuni industriale a manipulatorului Stanford (controlat de minicalculator).

1974 – Este fondata "The Robotics Industries Association".

1975 – Cincinnati Milacron scoate pe piata primul sau robot T3, pentru aplicatii de gaurire.

1975 – Robotul ASEA, cu capacitatea portanta de 60 kg, este primul robot instalat intr-o turnatorie de otel; Robotul T3 (Cincinnati Milacron) devine primul robot utilizat in industria aeronautica.

1976 – Sunt utilizati doi roboti de tip manipulator pe navetele spatiale "Viking 1" si "Viking 2".

1977 – ASEA realizeaza doi roboti controlati de microcalculator.

1977 – Unimation cumpara Vicarm Inc.

1977 – Este fondata Asociatia Britanica de Robotica (British Robotics Association, BRA).

1978 – Unimation realizeaza, pentru General Motors, primul robot PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly). PUMA poate fi gasit si astazi in multe laboratoare de cercetare.

1978 – Charles A. Rosen s.a. infiinteaza Machine Intelligence Company.

1979 – Japonia introduce pe piata robotul SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm), realizat la Yamanashi University; Digital Electronic Automation (DEA), Torino, Italia, scoate pe piata robotul PRAGMA, sub licenta General Motors.

1981 – Este fondata Cognex.

1981 – Este fondata CRS Robotics Corp.

1982 – Robotul Pedesco (Pedesco, Scarborough, Ontario) este utilizat pentru operatii de curatire, in cazul unor scurgeri de combustibil nuclear intro centrala atomica.

1982 – Stan Mintz s.a. (Hewlett-Packard) fondeaza Intelledex Corporation, o companie de fabricare a robotilor usori pentru asamblare, cum ar fi montajul circuitelor integrate.

1981-1984 Robotii de reabilitare sunt imbunatatiti in ceea ce priveste mobilitatea, comunicarea prin voce si securitatea. Se pune un accent mai mare pe vederea artificiala, senzorii de contact si limbajele de programare. Sunt dezvoltati roboti de lupta si paza.

1983 – Odetics, Inc. realizeaza un robot pasitor hexapod, ce poate pasi peste obstacole si cara sarcini de pana la 2-3 ori greutatea proprie.

1983 – Westinghouse El. Corp. cumpara Unimation, Inc., care devine o parte a acestei intreprinderi de automatizare, pe care o vinde, mai tarziu, companiei AEG din Pennsylvania.

1984 – Robot Defense Syst. scoate pe piata robotul Prowler (Programmable Robot Observer with Local Enemy Response), primul intr-o serie de roboti de lupta.

1984 – Joseph F. Engelberger, "tatal roboticii", infiinteaza o noua companie numita Transition Research Corp., concentrata pe roboti pentru servicii.

1985 – La Ohio State University a fost realizat primul robot pasitor autonom, robot numit "Adaptive Suspension vehicle" (ASV).

1986 – La expirarea licentei Unimate, Kawasachi dezvolta si produce propria linie de roboti electrici.

1988 – Staubli Group cumpara Unimation de la Westinghouse.

1989 – Este fondata Computer Motion.

1989 – Este fondata Barrett Technology.

1987-1993 – Honda produce robotii umanoizi din seria E (E1 – E6).

1993-1996 – Honda produce robotii umanoizi din seria P (P1, P2, P3).

1994 – Robotul Dante II (CMU Robotics Institute), un robot pasitor hexapod, exploreaza vulcanul Spurr in Alaska.

1995 – Fred Moll, Rob Younge si John Freud infiinteaza Intuitive Surgical, pentru a concepe si comercializa sisteme robotizate chirurgicale.

1997 – Naveta spatiala Pathfinder (NASA) aterizeaza pe Marte, avand la bord robotul mobil Sejourner, pentru explorarea planetei.

1999 – Sony scoate pe piata prima versiune a robotului de companie AIBO (Artificial Inteligence RoBOt).

2000 – Honda realizeaza primul prototip al robotului umanoid ASIMO, pentru cercetare.

2001 – Sony lanseaza primul prototip al robotului umanoid SDR – 3X (Sony Dream Robots), la Robodex.

2001 – Sony lanseaza pe piata a doua versiune a robotului AIBO.

2001 – Fujitsu debuteaza cu robotul umanoid HOAP-1.

2001 – Construita de MD Robotics, Canada, Statia spatiala de sisteme robotizate comandate la distanta (Space Station Remote Manipulator System – SSMRS) este lansata cu succes pe orbita si incepe operatiunile de asamblare a Statiei spatiale internationale.

2003 – Sony lanseaza un alt prototip al robotului umanoid SDR – 4X.

2003 – Sony lanseaza un prototip imbunatatit al robotului SDR – 3X si anume, robotul QRIO.

2004 – NASA, robotii Spirit si Opportunity ajung pe Marte.

Surse:

https://mec.tuiasi.ro/

https://www.msoe.edu/