1

COLEGIUL TEHNIC DIMITRIE LEONIDA IASI

Proiect pentru Certificarea Competentelor Profesionale

- Nivelul 3

ROBOT MINDSTORM

Profil: Tehnician Mecatronist

Indrumator: Absolvent:

Prof. Ing. Pintilie Cosmin

2014

2

3

ARGUMENT

4

Cuprins

ROBOT MINDSTORM

Cap. I : Introducere in Problematica Robotilor

1.1 Istoric al Dezvoltarii Robotilor 1.2 Structura Generala a Robotilor Industriali 1.3 Actionarea Robotilor

Cap. II: Programarea Robotilor

2.1 Probleme Generale 2.2 Programarea netextuala 2.3 Programarea textuala

Cap. III: Aplicatiile Robotilor

3.1 Probleme Generale 3.2 Conditii de Realizare

Cap. IV: Sistemul Mecanic al Robotului MINDSTORM

4.1 Introducere 4.2 Arhitectura Robotului

Cap. V: Aplicatiile Robotului MINDSTORM

5.1 Aplicatii 5.2 Robotul Biped Alpha-Rex

5

Capitolul I

Introducere in Problematica Robotilor

1.1 Istoric al dezvoltarii robotilor

Notiunea de robot a fost introdusa pentru prima data de scriitorul ceh

Karel Capek in celebra sa piesa de anticipatie stiintifica RUR scrisa in anul 1992. Prin aceasta tema robotii au fost realizati ca sisteme tehnice de data relativ

recenta, determinand aparitia unei noi orientari tehnico-stiintifice.

In urma acestei scrieri sau realizat si primii roboti in perioada 1960-1962,

acestia fiind conceputi in Statele Unite ale Americii prin firma UNIMATION

Inc. care a realizat modelul UNIMATE si firma AMF Thermatool care a

conceput modelul VERSATRAN. Productia de roboti a suferit in urmatorii cinci

ani, inregistrandu-se in productia anuala numai cateva exemplare din cele doua

modele realizate in perioada 1960-1962.

In anul 1968, a crescut interesul pentru aceste mijloace de automatizare,

inregistrandu-se cereri din partea a mai multor firme. Printre aceste firme se

numara si General Motors care a facut comanda de 50 de exemplare de roboti,

de asemenea firma a initiat un studiu asupra unui robot cu 6 grade de libertate

denumit Six Axis Manipulator.

Dupa doi ani in cadrul uzinei Chervrolete se produce prima linie automata

robotizata in care 26 de roboti UNIMATE executa sudarile caroseriei

automobilului Vega.

Pe terioriul batranului continent, robotii au fost introdusi in jurul anilor 1970,

mai intai in tarile scandinave iar apoi in Franta, Itali si URSS.

1.2 Structura Generala a Robotilor Industriali

Din punct de vedere al retelei om robot in timpul desfasurarii lucrului robotilor acestea se impart in 3 mari categorii:

Roboti Automati; Roboti Biotehnici; Roboti Interactivi.

6

In cadrul structurii robotului industrial regasim urmatorele functii:

Lucru; Comanda si Programare; Masurare si Recunoastere.

Functiile de lucru ale robotului industrial sunt deplasarea si orientarea

obiectului manipulat intr-un spatiu, apucarea - eliberarea obiectului manipulat si

functia locomotoare.

In cadrul functiei de comanda si programare a robotilor se aplica diferite

sisteme de comanda incepand cu sistemele ciclice si terminand cu sistemele

complexe cu elemente de inteligenta artificiala.

Alegerea sistemului de comanda pentru un robot industrial determina, intr-o

masura importanta, rapiditatea reprogramarii sale in vederea indeplinirii unui alt

ciclu de lucru, precum si adaptibilitatea la diferitele sisteme de actionare a

miscarilor robotului.

Dupa caracterul programului, sistemele de comanda se impart in doua

grupe:

7

Sisteme de comanda cu program fix de functionare; Sisteme de comanda cu program flexibil.

La randul lor, sistemele de comanda cu program fix se impart in

urmatoarele grupe:

Sisteme de comanda ciclice; Sisteme de comanda de pozitionare; Sisteme de comanda de conturare; Sisteme de comanda combinate, de pozitionare conturare.

1.3 Actionarea Robotilor

Actionarea miscarilor robotilor dupa diferite axe de miscare se poate realiza

cu motoare electrice, hidraulice sau pneumatice. In afara de acestea, exista un

numar de forme speciale de actionare realizate prin combinatii ale formelor

prezentate. In alegerea tipului actionarii pentru un robot, trebuie sa avem in

vedere destinatia robotului si conditiile mediului in care va lucra robotul.

8

Capitolul II

Programarea Robotilor

2.1 Probleme generale

Robotii isi realizeaza actiunile pentru care sunt destinati dupa un anumit

program. Programele de comanda fac parte din subsistemul software al robotilor

cu comanda automat, ele continand toate informatiile privind modul de actionare

al sistemului mecanic pentru a se indeplini sarcinile stabilite preintr-un anumit

protocol.

Programarea interna reprezinta o programare a echipamentului de

comanda , ea fiind realizata de proiectantul sistemului de comanda si se refera la

transpunerea intr-un limbaj adecvat, specific echipamentului utilizat, a sarcinilor

de manipulare sau de lucru stabilite prin programarea externa si continutului in

programul utilizatorului.

Sistemul de programare al unui robot trebuie sa satisfaca urmatoarele

conditii:

Sa poata realiza descrierea miscarilor; Sa poata realiza descrierea actiunilor; Sa poata realiza descrierea si recunoasterea mediului de lucru si a

obiectelor;

Sa poata realiza testarea si corectarea programelor; Sa permita comunicarea cooperatorului; Sa aiba posibilitatea comunicarii cu sisteme de calcul; Sa poata realiza administrarea programelor de comanda cum ar fi editarea,

stergerea si arhivarea.

2.2 Programarea netextuala

Programarea manuala se inatalneste la roboti simpli, care necesita un echipament de comanda simplu, fara calculator. Ea se utilizeaza in cazul unor

sarcini de manipulare realizate in succesiuni fixe si periodice, cu o frecventa

mare a actiunilor, fiind necesara comanda unui numar redus de puncte in spatiu.

Programare teach-in directa de realizeaza prin deplasarea robotului in

punctele dorite ale traiectoriei de catre un operator, actionarile modulelor

9

componente ale manipulatorului fiind decuplate, lucru posibil mai ales in cazul

actionarilor hidraulice si pneumatice.

2.3 Programarea textuala

In cazul acestui mod de programare, programul de comanda a istemului

robot se prezinta sub forma de text, care are avantajul de a putea fi realizat off-

line, poate fi memorat, testat si corectat, se poate modifica foarte usor, iar datele

din program pot fi prezentate ca variabile carora li se aloca valori ce sunt

furnizate de catre senzori in cursul executarii programului.

Elaborarea programelor textuale presupune existenta unui limbaj de

programare specific, care sa permita realizarea unei structuri de date specifice

robotilor si comenzile specifice acestora. Programele textuale pentru robotii

contin doua parti importante:

Descrierea obiectelor sub forma unei structuri de date; Comenzile care opereaza cu date.

10

Capitolul III

Aplicatiile Robotilor

3.1 Probleme Generale

Robotii si-au gasit locul intr-o gama larga de procese tehnologice, in care

inlocuiesc operatorul uman in executarea unor operatii auxiliare sau de baza.

Cele mai importante aplicatii se ragasesc in urmatoarele domenii:

In procesele de prelucrare mecanica prin aschiere, pentru alimentarea automata cu piese, scule sau dispozitive a msinilor unelte sau pentru

executarea unor operatii de gurire sau rectificare;

In procesele tehnologice de asamblare automata, in care robotul manipuleaza piesele de asamblat sau scule utilizate in acest scop;

In procesele tehnologice de sudare prin puncte sau sudare continua cu arc, in care robotul manipuleaza capul de sudura prin puncte sau electrodul de

material la sudarea cu arc;

In procesele tehnologice de turnare, pentru manipularea ramelor de formare pentru dezbaterea formelor, pentru montarea miezurilor, pentru

curatirea pieselor turnate sau pentru alimentarea automata a masinilor de

turnare prin presiune;

In procese tehnologice de acoperiri superficiale, in care manipuleaza pistoalele de vopsit sau piesele ce sunt scufundate in bai de acoperire sau

de decapare;

In procesele tehnologice de tratament termic in care manipuleaza piesele la incalzire in cuptoare sau la scufundarea in bai de tratament;

In realizarea operatiilor de control automat a dimensiunilor si formelor pieselor.

11

Aplicaii ale roboilor cu 6 articulaii:

Sudare; Vopsire; Mnuire (manipulare); Asamblare.

Spaiul de lucru (culoare nchis) al unui robot cu 6 articulaii.

Avand in vedere conditiile de lucru din mediul in care se desfasoara

tehnologia asistata de robot acestea pot fi:

Medii cu praf sau temperaturi inalte; Spatii inguste, greu accesibile; Medii toxice sau radioactive; Medii cu atmosfera umeda; Medii cu atmosfera rau mirositoare; Medii cu pericol de explozie; Medii cu caracteristici normale.

12

3.2 Conditii de realizare

Realizarea aplicatiilor robotilor presupune o analiza atenta a variabilitatii

mediului sau a procesului tehnologic, pentru a stabili astfel gradul de

flexibilitate ce trebuie sa-l asigure robotul din punct de vedere mecanic, a

sistemului de comanda si programare, precum si perioada de flexibilitate a

elementelor periferice si de interfata.

Se poate defini mediul periferic al robotului ca fiind totalitatea

subsistemelor fizice si informationale cu care acesta intra in interactiune pe toata

durata indeplinirii sarcinii sale in procesul tehnologic pe care il asista.

Acest mediu se prezinta ca un mediu dinamic, in care diferite componente

ale sale isi modifica pozitia, dimensiunea si caracteristicile, iar aceste schimbari

pot avea loc cu frecventa constanta sau variabile.

13

Capitolul IV

Sistemul Mecanic al Robotului MINDSTORMS

4.1 Introducere

Toate aplicaiile n care se utilizeaz microcontrolere fac parte din

categoria aa ziselor sisteme ncapsulate-integrate, la care existena unui sistem de calcul incorporat este transparent pentru utilizator.

Pentru c utilizarea lor este de foarte multe ori sinonim cu ideea de control, microcontrolerele sunt utilizate masiv n robotic i mecatronic.

Automatizarea procesului de fabricaie-producie este un alt mare beneficiar. Indiferent de natura procesului automatizat sarcinile specifice pot fi

eventual distribuite la un mare numr de microcontrolere integrate ntr-un sistem unic prin intermediul uneia sau mai multor magistrale.

Robotul creat din lego poate avea propiul "creier", care s dispuna de un puternic microprocessor pe 32-bit si memorie Flash, plus suport pentru

Bluetooth i USB 2.0. Studiile din domeniul roboticii arat c pentru a putea implementa concepte din domenii precum inteligena artificial, este necesar construirea unor arhitecturi modulare, scalabile i eficiente, att pentru componentele hardware ale robotului ct i pentru platformele software pe care acesta le utilizeaz.

Pentru eficientizarea cercetrii pe baza modularitii i scalabilitii amintite mai sus, s-au dezvoltat produse cu pri mecanice care respect binecunoscutul principiu LEGO al interconexiunii dintre elemente modularizate.

LEGO Mindstorms este o serie de componente LEGO care cuprinde

uniti programabile, senzori, servomotoare i alte pri constructive. Produsul LEGO Mindstorms NXT a fost lansat n iulie 2006. Succesul setului NXT este

argumentat n special de uurina cu care se poate personaliza i extinde platforma.

Robotul mobil nu ar fi ns nici pe departe la fel de eficient, dac nu ar fi susinut de o platform software adecvat aplicaiilor tot mai complexe i performante din punctul de vedere al informaiilor procesate.

Datorit nevoii tot mai ridicate de transmitere fiabil a datelor cu viteze mari, tehnologiile performante utilizate n prezent n diverse domenii ale

comunicaiilor au ptruns i n roboii mobili. Astfel, LEGO Mindstorms NXT conine ca suport de comunicaii tehnologia Bluetooth.

14

Odat creat platforma mecatronic cu suportul de comunicaii performant oferit de Bluetooth, se pune problema dezvoltrii unui mediu soft adecvat aestui suport, care s permit comunicarea datelor n diverse configuraii cerute de aplicaii scientifice sau didactice specifice, n condiii de vitez i fiabilitate optimizabile.

15

4.2 Arhitectura Robotului

Pentru a construi un ROBOT MINDSTORM, pe langa piese lego

necesare, ne mai trebuiesc:

Controler Servomotor LEGO Senzori

(ultrasonici, tactili

etc)

Cabluri

Controllerele Mindstorms NXT dispun de 3 intrri pentru motoarele

oferite de LEGO. Conexiunea acestora se face prin cabluri de date. LEGO

Mindstorms ofer suport i pentru versiunile mai vechi de echipamente LEGO. De asemenea, controllerele suport orice motoare de curent continuu ce

pot fi alimentate cu 9V, 1 A.

Servomotorul LEGO este un motor de curent continuu de 3 W, compus

din urmtoarele: Corpul motorului propriu-zis; Angrenaj cu ro i din ate; Senzor de rota ie; Corp de prindere, ale altor piese LEGO.

16

Precizia senzorului de rota ie este de 1 grad. Acesta poate msura rota iile motorului n grade sau n rota ii complete (1 rota ie completa = 360 grade).

Avantaje ale folosirii motoarelor LEGO:

Conector de ie ire compatibil cu mai multe aplica ii LEGO; Prezen a senzorului de rota ie; Protec ie la supracurent i supratensiune; Prezen a reductorului.

Dezavantaje ale folosirii motoarelor LEGO:

Design-ul nu e compact; Gama mic de puteri disponibil; Tura ie sczut la ie ire; Ro ile din ate sunt din plastic, ceea ce duce la frecri mari, randament

sczut i posibilitate de uzur la sarcini mai mari.

Blocul Motor reprezint interfa a cu motoarele a utilizatorului.

Parametrii generali ce pot fi modifica i din acest bloc sunt:

Portul pe care este legat motorul la controller; Direc ia de rota ie a motorului; Puterea de rota ie a motorului; Durata de rota ie a motorului.

Blocul Move se diferen iaz de blocul motor prin posibilitatea de ac ionare a 2 motoare simultan.

17

Capitolul V

Aplicatiile Robotului MINDSTORM

5.1 Aplicatii

a) Realizare programului pentru deplasarea unui robot actionat de un motor:

S mearg motorul un anumit interval de timp; S mearg motorul nelimitat; S mearg motorul pn la terminarea ac iunii cnd trebuie s frneze

liber sau for at (coast/break); S se mi te motorul la x de grade.

b) Realizare programului pentru deplasarea unui robot actionat de dou motoare cu ajutorul blocului move (diferen iat de blocul motor prin posibilitatea de ac ionare a 2 motoare simultan):

S mearg robotul un anumit interval de timp; S mearg robotul nelimitat; S mearg robotul pn la terminarea ac iunii cnd trebuie s frneze

liber sau for at (coast/break); S se mi te robotul la x de grade.

18

c) Programarea unui Bumper car MINDSTORM:

Programarea s-a realizat cu ajutorul programului Mindstorms NXT cu

ajutorul blocurilor:

Blocul start; Blocuri motor; Blocul move; Bloc sensor; Bloc control.

19

d) Afiarea unui text/imagine/desen pe display-ul micro-controller-

ului/animaie:

20

5.2 Robotul Biped Alpha-Rex

21

Moduri de programare a robotului biped Alpha-Rex

22

23

BIBLIOGRAFIE

http://www.robotics.ucv.ro

http://www.flexform.ro

http://leerstofnet.nl

Asociatia Alewijnse Training Center Romania