mecatronica auto

Download mecatronica auto

If you can't read please download the document

Upload: dobrescu-petrica-cornel

Post on 26-Sep-2015

261 views

Category:

Documents


5 download

DESCRIPTION

mecatronica auto referat

TRANSCRIPT

2. Exemple de sisteme mecatronice

33

2. EXEMPLE DE SISTEME MECATRONICE

Rolul acestui capitol

Capitolul al doilea este o continuare logic a problemelor prezentate n capitolul introductiv i un preambul al tuturor aspectelor care vor fi detaliate n capitolele urmtoare. i propune s prezinte cteva dintre cele mai reprezentative sisteme mecatronice, cu argumente, pentru fiecare caz n parte, legate de includerea n marea familie a sistemelor mecatronice (integrare spaial i func ional, flexibilitate, inteligen). Prezentarea nu i propune s intre n detalii, ci doar s scoat n eviden unele aspecte mai semnificative, legate de: sistemul mecanic i/sau optic, pe care se bazeaz ntreaga funcionare a sistemului; componentele electrice i electronice (senzori, actuatori, circuite de putere), care servesc la achizi ionarea de informaii din proces i la comanda adecvat a unor micri ale elementelor sistemului mecanic/optic; sistemul de comand centralizat/descentralizat, care asigur coordonarea ntregului ansamblu i confer gradul mai nalt sau mai sczut de inteligen al sistemului mecatronic respectiv.

Se va sublinia, acolo unde este cazul, modul n care anumite funciuni mecanice sunt preluate de ctre electronic i software, simplificnd foarte mult structura mecanic, modul n care construc iile rigide, la care precizia este realizat prin tolerane foarte strnse, pot fi nlocuite cu construcii elastice i uoare, la care precizia este realizat prin m surare i bucle de reacie, modul n care problemele de cablare, inerente unor sisteme cu att de multe componente electrice i electronice, sunt rezolvate prin utilizarea unor magistrale i protocoale de comunicaie adecvate (de exemplu, CAN Bus).

Unele din problemele principiale evideniate n acest capitol, vor fi apoi tratate, n detaliu, n urmtoarele capitole.

2.1 Automobilul

2.1.1 Automobilul modern sistem mecatronic: cteva argumente

Aprut n a doua jumtate a secolului al 19-lea, automobilul a revoluionat transporturile i a concentrat cele mai semnificative eforturi tiinifice i inginereti, pentru continua perfecionare a performanelor sale. Pn n jurul anilor 1970-1980 componentele mecanice, multe dintre ele adevrate bijuterii tehnice, reprezentau o pondere covritoare n ansamblul unui automobil, partea electric i electronic rezumndu-se la un numr restrns de motoare (demaror, alternator, tergtoare de parbriz), senzori (pentru temperatura uleiului i antigelului, presiunea uleiului, nivelul carburantului), relee (pentru semnalizare, aprindere) i becuri .

Dezvoltarea microelectronicii, materializat n circuite integrate logice i analogice, circuite integrate de putere, procesoare numerice (microprocesoare, microcontrollere, DSP-uri), realizarea unor sisteme de acionare, convenionale i neconvenionale,

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

34BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

performante, a unor tipuri noi de senzori etc., au deschis perspective largi pentru rezolvarea unor cerine care se impuneau tot mai acut, legate de:

Sigurana n trafic; Economicitate;

Fiabilitate;

Confort;

Protecia mediului.

n construcia automobilelor moderne i-au ctigat locul tot mai multe sisteme mecatronice (pentru managementul motorului, ABS, ESP, suspensie activ etc.), pentru ca, n final, ntreg automobilul s se transforme ntr-unul dintre cele mai reprezentative sisteme mecatronice (prin interconectarea subsistemelor cu magistrale adecvate de exemplu, CAN-Bus, sisteme de navigaie, X-by Wire, telematic etc.).

Fig. 2.1 Componente electrice i electronice ntr-un automobil

Un automobil modern, dintr-o clas medie, cuprinde circa 60-70 de motoare i un numr asemntor de senzori i sisteme senzoriale (fig.2.1). Un exemplu elocvent l constituie diferenele majore dintre broscua de mare succes a firmei Volkswagen, din anii 1960: 136 W putere maxim consumat , 150 m de cabluri electrice i circa 80 de contacte electrice i urmaul acesteia din 2001, maina New Beetle, cu un consum de 2050 W, 1500 m de cabluri i 1200 contacte electrice.

Creterea ponderii componentelor electrice i electronice n construcia automobilului a facilitat introducerea unor sisteme noi, permind creterea performanelor i simplificarea componentelor mecanice. Un exemplu este prezentat n figura 2.2, respectiv un ventil cu acionare electromagnetic (Electromagnetic Valve Train EVT) un rezonator resort/mas, care nlocuiete clasicul ax cu came destinat acionrii ventilelor n sincronism cu micarea arborelui motor, i asigur sistemului de management al motorului posibilitatea comenzii libere a ventilelor, n funcie de

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2. Exemple de sisteme mecatronice

35

algoritmul de optimizare impus. Principalele efecte: mbuntirea raportului moment motor/turaia motorului, reducerea cu pn la 20% a consumului de carburant, reducerea volumului gazelor de eapament.

Fig.2.2 Ventil cu acionare electromagnetic

O alt tendin important n construc ia autovehiculelor const n mbuntirea permanent a performanelor sistemelor existente. n figura 2.3, este prezentat un sistem de injecie cu actuator piezoelectric. Utilizeaz tehnologia HDI (High Diesel

Fig.2.3 Sistem de injecie cu actuator piezoelectric

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

36BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

Injection), n care o pomp alimenteaz cu motorin o ramp comun, numit common rail, la presiuni de pn la 1500 bari. Distribuia carburantului din aceast ramp se realizeaz cu actuatori piezoelectrici.

Actuatorii piezoelectrici sunt utilizai n multe produse mecatronice, datorit unor caracteristici remarcabile, cum ar fi fore de acionare mari (de ordinul miilor de N), acceleraii de ordinul a 2000g, rezoluii n domeniul nanometrilor etc. Vor fi tratai detaliat n capitolul 5.

Foarte multe eforturi ale proiectanilor i constructorilor de vehicule sunt dirijate n scopul creterii siguranei i confortului pasagerilor i implic subsisteme mecatronice sofisticate.

Sistemele de securitate pot fi active sau pasive i au cteva roluri foarte importante: evitarea eficient a coliziunilor; minimizarea efectelor coliziunilor i evitarea traumatismelor, att pentru pasagerii vehiculului, ct i pentru pietonii implicai n accident.

Sistemele de siguran active servesc la prevenirea coliziunilor i la minimizarea efectelor acestora. Cele mai importante sunt [Continental]:

Sistemul electronic de frnare (Electronic Brake System), care include:

ABS (Anti-locking Brake System) are rolul de a controla presiunea de frnare, pentru evitarea blocrii roilor. Proceseaz informaiile de la senzorii care msoar viteza roilor i controleaz motorul pompei

hidraulice i valvele care distribuie fluidul la frne.

Brake Assist interpreteaz informaiile de la senzorii specifici i corecteaz manevrele de frnare ale conductorului auto.

Sistemul electronic de stabilitate (ESP Electronic Stability Program), care evalueaz n permanen datele msurate de un mare numr de senzori i compar aciunile oferului cu comportarea vehiculului la momentul respectiv. Dac intervine o situaie de instabilitate, cum ar fi cea determinat de o virare brusc, sistemul reacioneaz n fraciuni de secund, prin intermediul electronicii motorului i a sistemului electronic de frnare i ajut la stabilizarea vehiculului. Sistemul ESP include mai multe subsisteme complexe:

ABS (Anti-locking Brake System);

EBD (Electronic Force Brake Distribution);

TCS (Traction Control System);

AYC (Active Yaw Control).

Sistemul de prevenire a accidentelor, care poate include:

Controlul adaptiv al coliziunilor (Adaptive Cruise Control - ACC), bazat pe senzori radar de distane mari. ncepnd cu anul 1999, firma Continental Automotive Systems [Continental] a introdus sistemele ACC n producia de serie, devenind primul furnizor global de astfel de sisteme. ACC regleaz automat viteza vehiculului, n funcie situaia mainilor din trafic, pentru a asigura o distan adecvat fa de vehiculul din fa. Sistemul radar utilizeaz principiul impulsuri Doppler pentru msurarea independent a vitezei i distanei.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2. Exemple de sisteme mecatronice

37

Distan redus de frnare (Reduced Stopping Distance), bazat pe un sistem de frnare automat n eventualitatea unei coliziuni;

o Avertizare de distan (Distance Warning);

Stop & Go, bazat pe un sistem radar n infrarou, pentru distane mici, destinat asistenei pentru traficul urban sau pentru situaiile de pornire i oprire;

Sprijin pentru urmrirea axului drumului (Line Keeping System), cu camer CCD i intervenie activ asupra sistemului de direcie; implic un algoritm de procesare a imaginilor i n cazul devierii de la axul drumului, oferul este avertizat printr-o uoar micare a volanului,

pstrnd ns supremaia n manevrarea acestuia;

o Controlul global al asiului (Global Chassis Control);

Reacie haptic de pericol la nivelul pedalei de acceleraie (Haptic Danger Feedback) etc.

Sistemele senzoriale i de acionare care asigur managementul motorului, asistena la frnare i controlul stabilitii, permit, prin extinderi adecvate, n special n domeniul software-ului, realizarea altor aciuni, importante pentru sigurana i confortul conductorului auto. De exemplu, momente foarte dificile apar, n special pentru oferii mai puin experimentai, n cazul pornirii pe pante nclinate, a opririlor/pornirilor la semafoare sau n parcri. Programul Hill Start Assist (HAS) este destinat asistenei n astfel de situaii: dup ce oferul a eliberat frna de mn, HAS ntreine n sistemul de frnare o presiune care asigur meninerea ferm pe loc a mainii. Pe parcursul pornirii (accelerrii), HAS reduce presiunea de frnare, n corelaie cu creterea momentului motorului. Controlul presiunii de frnare se bazeaz pe: presiunea de frnare aplicat de ofer; informaii privind motorul i transmisia; nclinarea pantei (msurat de un senzor de acceleraie longitudinal).

Din ce n ce mai complexe i sofisticate sunt sistemele de siguran pasive, care au rolul de a proteja pasagerii i pietonii contra accidentelor suferite n urma coliziunilor. Ele includ o serie de sisteme de protecie: centuri de siguran, sisteme de tensionare, mecanisme de blocare, airbag-uri frontale i laterale, protecie a capului i genunchilor, protecie contra r sturnrii, precum i o serie de senzori i actuatori inteligeni: senzori pentru anticiparea coliziunilor (detecia i clasificarea pietonilor, sesizarea condiiilor premergtoare impactului pentru acionarea adecvat a sistemelor de protecie), senzori pentru sesizarea i analiza impactului (direcie, intensitate, tip, posibilitatea rsturn rii), senzori pentru detectarea i clasificarea pasagerilor, airbag-uri inteligente, a cror expandare depinde de fora i locul de impact, sisteme reversibile de pretensionare a centurilor de siguran, sisteme pentru optimizarea poziiei scaunelor i nchiderea automat a u ilor i trapelor pentru minimizarea efectelor coliziunii, sisteme de protecie a pietonilor etc.

Pentru a ilustra modul n care mecatronica a revoluionat construcia automobilului, se va prezenta, ca un ultim exemplu, modulul de comand a unei ui, care este att de complex, nct necesit un microcontroller propriu (fig.2.4) [INFINEON].

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

38BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

Fig.2.4 Modul de comand a uii din fa (CP = circuite de putere)

n comanda uii intervin 4 motoare: unul pentru nchiderea/deschiderea ferestrei, unul pentru blocarea/deblocarea uii n cadrul sistemului de blocare centralizat i alte dou pentru poziionarea, dup dou direcii (x-y), a oglinzii retrovizoare. La acestea se adaug un sistem pentru nc lzirea oglinzii retrovizoare. Un numr de ntreruptoare permit conduc torului auto s efectueze manevrele dorite pentru ac ionarea celor patru motoare. Multe module de comand a uilor includ i senzori, care sesizeaz gradul de nchidere/deschidere a ferestrelor, atingerea limitelor de sus/jos, apariia unor obstacole. Modulul de comand cuprinde:

Interfaa cu ntreruptoarele i senzorii; Circuitele de comand pentru motoare i rezistorul de nclzire a oglinzii: puni n H (complete) pentru fereastr i blocarea uii i semipuni pentru poziionarea oglinzii, tranzistor de comand a rezistorului de nclzire; Circuite de comand: microcontroller i interfa CAN-Bus;

Regulator de tensiune.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2. Exemple de sisteme mecatronice

39

Implementarea pe scar larg a unor astfel de module, la milioane i milioane de vehicule, a impus proiectarea i producerea de circuite integrate specifice diferitelor func ii. n figura 2.5 este prezentat o schem din documentaia firmei INFINEON, n care fiecare funcie detaliat mai sus este realizat cu cte un circuit integrat dedicat. Comanda este asigurat de un microcontroller de 8 bii, C505, dotat cu interfa CAN. n schem nu sunt detaliate semnalele de la microntreruptoare, dar semnalul de la un senzor de curent din circuitul de putere al motorului pentru nchiderea/deschiderea ferestrei (linia A/D) poate fi utilizat pentru a sesiza eventuale obstacole n calea ferestrei sau limitele de nchidere/deschidere, materializate prin creterea curentului n nfurarea motorului.

Fig. 2.5 Schem de comand a uii, cu microcontroller C505 i circuite integrate

2.1.2 CAN BUS exemplu de magistral serial n automobil [DUM04a]

Dezvoltarea CAN a nceput odat cu implementarea unui numr tot mai mare de dispozitive electronice n autovehiculele moderne. Exemple de astfel de dispozitive sunt sistemele de management al motorului, suspensiile active, ABS, controlul cutiei de viteze, controlul farurilor, aerul condiionat, airbag-urile i nchiderea centralizat (fig.2.6).

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

40BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

Fig.2.6 CAN Bus pentru conectarea subsistemelor n automobil

Controller Area Network (CAN) este un protocol de comunicaie serial, care asigur controlul distribuit, n timp real, cu un mare grad de siguran. A fost dezvoltat iniial de firma Robert Bosch GmbH, care deine i licena CAN, n ultima parte a anilor 1980.

Este standardizat pe plan internaional de International Standardization Organization (ISO) i de Society of Automotive Engineers (SAE).

CAN de vitez mare are la baz standardul ISO 11898 (rate de transmisie de pn la 1 Mbit);

CAN de vitez mic (rate de transmisie < 125 Kbit) se bazeaz pe ISO 11519-2;

Extensii n specificaiile 2A and 2B (datorit cerinelor productorilor de hardware) diferite lungimi ale identificatorilor (2A cu identificatori de 11 bii; 2B cu identificatori de 29 bii); Un alt standard este CiA DS-102: standardizez ratele de transmisie (baud-rates) i timpii impui pentru transmiterea biilor i stabilete conductorii, conectorii i

liniile de putere. CAN n autovehicule:

SAE CAN clasa B (are la baz standardul ISO 11519-2), cu pn la 32 de noduri, este implementat n spaiul interior al vehiculului i leag componente ale asiului i electronica destinat confortului vezi ramura din dreapta n fig.2.6;

SAE CAN clasaq C (are la baz standardul ISO 11898), cu pn la 30 de noduri, este implementat pentru conectarea i controlul motorului, a transmisiei, a frnrii, suspensiei vezi ramura stng n 2.6.

CAN este protocolul cel mai utilizat n autovehicule i automatizri. Cele mai importante aplicaii pentru CAN sunt automobilele, vehiculele utilitare i automatizrile industriale. Alte aplicaii ale CAN se regsesc la trenuri, echipamente

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2. Exemple de sisteme mecatronice

41

medicale, automatizarea cldirilor, echipamente electrocasnice i automatizarea birourilor.

Concepte de baz

Structura liniilor CAN bus line i nivelele de tensiune care corespund celor dou stri ale magistralei dominant and recesiv, sunt prezentate n figura 2.7.

Fig.2.7 Liniile i nivelele de tensiune ale CAN Bus (ISO 11898)

Propieti ale CAN

Iat cteva dintre cele mai remarcabile propieti ale CAN:

Priorizarea mesagelor: Identificatorul (identifier) definete o prioritate static a mesajului n timpul accesului la magistral. Atunci cnd magistrala este liber, oricare unitate poate demara nceperea unei transmiterii unui mesaj. Dac ncep s transmit simultan dou sau mai multe uniti, conflictul de acces pe magistral este rezolvat prin arbitrarea bit cu bit, utiliznd identificatorul. Mecanismul arbitrrii garanteaz c nu se pierde nici timp nici vreo informaie. Pe parcursul arbitrrii fiecare transmitor compar nivelul bitului transmis cu nivelul existent pe magistral. Dac nivelele sunt egale, unitatea continu s transmit. Dac ea transmite un nivel recesiv i magistrala monitorizeaz un nivel dominant, unitatea pierde arbitrarea i trebuie s se retrag, fr a mai transmite un singur bit. Acest sistem de arbitrare, conceput special pentru autovehicule, permite rezolvarea

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

42BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

unor evenimente de importan mai mare n funcionarea mainii, care necesit o decizie mai rapid, prioritar fa de evenimente pentru care deciziile mai pot ntrzia.

Multimaster: Magistrala nu presupune o ierarhizare a nodurilor; cnd magistrala este liber, oricare unitate poate ncepe transmiterea unui mesaj. Unitatea cu mesajul cel mai prioritar va ctiga accesul la magistral.

Siguran: Pentru a realiza cea mai mare siguran n transferul datelor, n fiecare nod al magistralei CAN sunt implementate mijloace puternice pentru detectarea erorilor, semnalizarea acestora i auto-verificare.

Conexiuni: Legtura serial de comunicaie CAN este o magistral la care pot fi conectate un anumit numr de uniti. Acest numr nu are o limit teoretic, limita practic fiind determinat de timpii de ntrziere i/sau consumul de putere pe magistral. Nodurile magistralei nu au adrese specifice, adresa informaiei fiind coninut n identificatorul mesajului transmis i n prioritatea acestuia. Numrul nodurilor poate fi modificat dinamic, fr ca acest lucru s perturbe comunicaia dintre celelalte noduri.

Rata de transmisie: Viteza CAN poate fi diferit n diferite sisteme, dar pentru un anumit sistem rata de transmisie este fixat i constant.

Soluii pentru conectarea unui nod la CAN Bus

Un nod CAN utilizat pentru controlul unei anumite aplicaii const din diferite circuite (fig. 2.8).

Fig.2.8 Exemple de implementare a CAN [Siemens]

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2. Exemple de sisteme mecatronice

43

2.2 Roboi industriali

Se vor prezenta cteva dintre cele mai importante probleme legate de utilizarea roboilor industriali, a cror implementare a fost inaugurat de robotul UNIMATE n 1961 (vezi capitolul 1). Evoluia roboilor industriali poate fi ncadrat, cu relativitatea pe care o presupune o astfel de clasificare, n trei generaii, care ns, spre deosebire de lumea calculatoarelor electronice, nu au presupus eliminarea reprezentanilor mai puin performani, ci i-au gsit, fiecare, locul potrivit n automatizarea proceselor industriale. Generaia ntia este reprezentat de roboi cu o structur mecanic mai simpl, care le permite mai ales operaii de manipulare Point-To-Point - PTP - punct cu punct, fr sisteme senzoriale externe i, n consecin fr posibiliti de adapare la condiii variabile ale mediului n care funcioneaz. Sunt superioare manipulatoarelor prin faptul c micrile din diferitele cuple pot fi programate i reproduse rapid i flexibil, f r intervenii mecanice, dar au foarte puine valene, care s le permit includerea n familia sistemelor mecatronice. Roboii din generaia doua au sisteme mecanice mai performante, care le permit performane cinematice i dinamice superioare, fiind capabili s execute i operaii de tip Continuous Path - CP, care presupun deplasarea efectorului final de-a lungul unor traiectorii continue, cu precizii mari. Posed interfeele necesare i instruciunile pentru achiziia informaiei de la senzori externi compleci (senzori vizuali, senzori de for/moment, senzori tactili etc.) i integrarea acestei informaii n programele de lucru, fapt care le confer o adaptabilitate limitat la mediu. Aceti roboi posed multe dintre caracteristicile sistemelor mecatronice. Roboii din primele dou generaii lucreaz pe baza unui program memorat, ale crui instruciuni detaliaz fiecare micare i ac iune. De exemplu, inserarea unui arbore ntr-un alezaj presupune un program, care detaliaz toate micrile necesare prelu rii arborelui, apropierii lui de alezaj, msur rii forelor de interaciune i efecturii, n consecin , a micrilor de corecie pentru o asamblare reuit. Roboii din generaia treia i desfoar activitatea pe baza unui scop, de genul montez ansamblul A. Baza lor de cunotine i motorul de raionament (inferen), cu care este dotat sistemul de comand, le permite s decid singure succesiunea operaiilor necesare pentru realizarea scopului impus. Sunt maini dotate cu sisteme senzoriale complexe, cu inteligen artificial, ncadrndu-se n totalitate n caracteristicile enunate pentru sistemele mecatronice.

Sunt cteva definiii ale roboilor industriali consacrate pe plan mondial (definiia dup norma european EN775, definiia conform standardului german VDI 2860, definiia JIRA Japan Industrial Robot Association etc.). Nu se va apela, textual, la una dintre aceste definiii, ci se va exprima, n sintez, urmtoarea fraz definitoare: un robot industrial, este un automat cu posibiliti universale de implementare, cu un mecanism cu mai multe cuple (grade de mobilitate), ale cror succesiuni de micri i curse pot fi programate liber (fr interven ii mecanice); acest mecanism serve te la poziionarea i orientarea efectorului final, n vederea efecturii operaiilor de lucru impuse.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

44BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

Noiunea de efector final (end-effector) desemneaz o palet foarte larg de sisteme de prindere (prehensor @ gripper @ Greifer), unelte sau alte dispozitive, n funcie de operaiile pe care le execut un robot:

Manipulri de piese pentru: deservirea unor maini de lucru, grupate n celule flexibile; depunerea/extragerea pieselor din magazii; depunerea/preluarea pieselor de pe benzi transportoare; paletizarea/depaletizarea unor cutii i repere; manevrarea de piese n dreptul unor pietre abrazive pentru polizarea/lefuirea lor etc. O operaie interesant i eficient de manipulare const n poziionarea i susinerea de piese, n vederea mbinrii lor prin sudur de ctre ali roboi. Efectoarele finale sunt sisteme de prindere de diferite tipuri i complexiti. Ponderea cea mai mare revine minilor mecanice, constituite din dou bacuri, acionate pneumatic, care, prin nchidere prind piesa (instruciunea grasp sau close), iar prin deschidere o elibereaz (instruciunea open). n situaiile n care trebuie controlat fora de prindere, bacurile sunt acionate cu motoare electrice i sunt dotate cu senzori de for. n situaii rare i speciale pot fi utilizate mini cu mai mult de dou degete, formate din mai multe segmente (vezi subcapitolul 2.3.2). Pentru manipularea unor piese cu suprafaa neted (plci de sticl, lemn, furnir, metal, tuburi cinescop, repere din sticl etc.) sunt utilizate sisteme de prindere cu ventuze, bazate pe diferite principii de generare a unei depresiuni.

Sudur. Foarte muli roboi industriali sunt utilizai pentru operaii automate de sudur, n principal n industria automobilului. Efectoarele finale utilizate depind de tipul sudurii: cleti pentru sudura n puncte; dispozitive cu electrozi de sudur sau cu flacr oxiacetilenic pentru sudura continu. Sudura n puncte reprezint un exemplu de traiectorie de tip PTP (punct-cu-punct), care impune poziionarea efectorului final n diferite puncte din spaiul de lucru, dar las programului de interpolare al robotului sarcina determinrii traiectoriei dintre puncte, n baza unor criterii de optimizare i de ocolire a obstacolelor. Sudura continu este un exemplu de traiectorie CP (Continuous Path = traiectorie continu), n care robotul trebuie s deplaseze efectorul final de-a lungul unei traiectorii definite printr-o succesiune continu de puncte, memorate, determinate pe baza unor calcule, sau sesizate cu ajutorul unor sisteme senzoriale externe. n figura 2.9 este prezentat un sistem de urmrire a rostului la roboii de sudur [DUM96a], care ntrunete toate elementele unui sistem mecatronic. Baleierea seciunii urmrite se realizeaz cu ajutorul unei oglinzi basculate de un motor. Unghiul de basculare este msurat cu un senzor de poziie i poate fi variat n limite foarte largi, la fel ca i frecvena de baleiere. Pentru o aplicaie normal de sudur robotizat unghiul de baleiere este de 40 , frecvena de 10 baleieri/sec, fiecare profil fiind reconstituit prin 200 de distane msurate ntr-un domeniu cuprins ntre 80140 mm fa de axa de baleiere, cu o rezoluie de 0,3 mm. Prelucrarea informaiilor presupune citirea, la fiecare 400 ms, a senzorului CCD, comprimarea datelor, reconstituirea profilului i comanda aciunilor corespunztoare, legate de corecia traiectoriei i de adaptarea parametrilor procesului de sudur.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2. Exemple de sisteme mecatronice

45

Fig.2.9 Sistem senzorial pentru urmrirea rostului la roboii de sudur

Tierea este operaia opus sudurii; poate fi realizat i cu un dispozitiv cu flacr oxiacetilenic, cu parametri de lucru diferii de cei de la sudur, dar soluiile de tiere cele mai des folosite presupun utilizarea unor dispozitive cu fascicul laser sau cu jet de ap la presiuni foarte mare (cteva mii de bari).

Aplicarea unui strat de material adeziv/material de etanare, n vederea lipirii unor repere (piese de tabl la portierele automobilelor, geamuri de parbriz/lunet) sau a etanrii unor zone ale unor repere. Efectorul final este, n aceste cazuri, un dispozitiv care include un rezervor cu materialul care trebuie aplicat i un sistem de duze/ventile pentru distribuirea acestuia;

Vopsirea presupune pulverizarea unui jet de vopsea de-a lungul suprafeei care trebuie acoperit. Efectorul final este un dispozitiv de pulverizare a vopselei. Roboii de vopsire impun cerine deosebite: protecie anticoroziv, protecie antiexploziv i sunt proiectai i construii exclusiv n acest scop, fr a avea caracteristica de universalitate.

Prelucrri tehnologice ale unor repere: frezare, debavurare, lefuire, gravare etc.

Au ca efector final dispozitivul tehnologic (frez, piatr abraziv, electrod pentru electro-eroziune etc.), care realizeaz prelucrarea.

Montajul automat presupune asamblarea unor repere de ctre robot. Efectorul final este, n general, un sistem de prindere, complectat, ns, de o unitate specializat pentru montajul automat [DUM86]: fie pasiv cu o structur elastic ale crei deformaii, determinate de forele de interaciune dintre reperele implicate n operaia de asamblare (compliana structurii elastice), asigur coreciile poziiilor

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

46BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

i orientrilor pieselor, fie activ cu un senzor de for/moment, care msoar forele de interaciune, pe baza crora sistemul de comand determin i asigur micrile fine de corecie.

Controlul automat, presupune, ca efector final, un palpator (inductiv, capacitiv, pneumatic etc.), care palpeaz un reper n diferite puncte, n vederea determinrii unor coordonate, care asigur controlul dimensional. Roboii pentru control impun precizii de poziionare n domeniul micrometrilor, i implicit, construcii speciale, cu ghidaje, lagre i mecanisme de mare precizie. Sunt, n general, roboi specializai, fr a exclude, ns, posibilitatea utilizrii unor roboi universali n anumite operaii de control.

2.3 Roboi mobili

2.3.1 Consideraii; variante; aplicaii

Roboii mobili reprezint, probabil, cea mai spectaculoas i reprezentativ categorie de sisteme mecatronice, mai ales datorit ncercrii de a copia i de a se apropia de modele din lumea vie. n multe universiti n care se studiaz mecatronica, testul de maturitate al unui student este dat de proiectarea i construcia unui robot mobil, de un anumit tip, cu o structur mecanic mai mult sau mai puin complex, cu motoare de acionare care asigur deplasarea n mediul nconjurtor, cu senzori care i permit orientarea, identificarea i evitarea obstacolelor i cu un creier, constituit dintr-unul sau mai multe procesoare numerice, care asigur comanda ntregului sistem. Supremaia ntre universit i, dar i ntre firme, este disputat n cadrul unor concursuri de roboi mobili. Exist o palet foarte larg de concursuri:

Lupte ntre roboi rzboinici, cum sunt prezentate pe Discovery, n care scopul este eliminarea adversarului de pe ringul de joc;

Competiii internaionale ntre roboii casnici i de curenie;

Competiii sportive cu roboi mobili etc.

Federaia RoboCup organizeaz campionate mondiale anuale de fotbal (soccer). n diferite ligi:

Simulation league; Small sized league;

Middle size league;

Legged league;

Humanoid league.

Campionatele se desfoar ncepnd cu ediia din 1997 de la Nagoya, urmat de 1998 Paris, simultan cu Cupa Mondial; 1999 Stockholm, simultan cu Conferina Internaional de Inteligen Artificial, 2000 Melbourne; 2001 Seattle; 2002 Fukuoka; 2003 Padova.

Complexitatea jocului i regulile de joc difer de la lig la lig. n cadrul Small Size League (roboi de dimensiuni mici), principalele elemente care caracterizeaz jocul sunt (fig.2.10):

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2. Exemple de sisteme mecatronice

47

Teren de dimensiunile unei mese de tenis de mas;

Cte cinci roboi mici, de circa 15cm diametru;

Timp de joc: 2 x 10 minute, cu o pauz de 20 de minute pentru intervenii tehnice.

Fig.2.10 Roboi din Small Size League pe terenul de joc

Sunt roboi pe roi, care nu au sisteme proprii de orientare n teren, coordonarea lor fiind realizat de un calculator extern, n baza imaginilor recepionate de la o camer video, plasat deasupra cmpului de joc.

Mult mai spectaculoas este Middle Size League, care impune urmtoarele reguli:

Teren cu dimensiuni de 10 x 5 m; Maxim 5 roboi cu diametrul de 50 cm /echip;

Cod al culorilor cu: minge portocalie; pori n culorile galben i albastru deschis; roboi negri, cu plrii roii i albastre; teren verde cu marcaje albe.

Fig.2.11 Roboi din categoria Medium Size League

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

48BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

Fiecare robot este echipat cu o camer video (fig. 2.11), care i permite s interpreteze scena de joc i s ntreprind aciuni pe cont propriu. Aceti roboi trebuie s fie capabili s rezolve probleme complexe cu interferene largi n domeniul inteligenei artificiale, cum ar fi:

Percepia lumii reale, pentru a lovi mingea i a identifica juctorii;

Comunicaia i sinteza informaiilor obinute de la parteneri, pentru a crea un model dinamic al lumii;

Comportare reactiv pentru a realiza aciunile de baz ale jocului;

Dezvoltarea unei strategii pentru a decide care aciune este optim ntr-un anumit moment.

n Leged League jocul se desf oar, pe un teren puin mai mare dect cel de la Small- Size League, ntre echipe de cte patru roboi AIBO ai firmei Sony, roboii mobili patrupezi, cu nfiare de cine, foarte apreciai i vndui ca jucrii. ntruct fiecare echip utilizeaz aceeai roboi, diferenierile ntre echipe, pe parcursul jocului, sunt determinate de software-ul folosit.

Liga roboilor umanoizi Humanoid League utilizaz roboi pitori, de tip umanoid, care lovesc balonul n mod asemntor cu juctorii de fotbal (fig.2.12). Specialitii optimiti apreciaz c, n jurul anilor 2050, o echip de roboi umanoizi va nfrunta, de la egal la egal, o echip format din cei mai buni juctori pmnteni.

Fig.2.12 Juctori din liga roboilor umanoizi

ncepnd cu anul 2000, cu ediia de la Amsterdam, se organizeaz i campionatul european RoboCup. Exist, de asemenea i un compionat RoboCup Jr., destinat cu prioritate studenilor.

Exist multe alte competiii ntre roboi teretri (International Ground Robotics Vehicle Competition), zburtori (International Unmanned Aerial Vehicle Competition) etc., dar cteva amnunte merit o competiie ntre roboi, a cror utilitate n viaa de zi cu zi este mult mai palpabil , respectiv roboii casnici i de curenie. Campionatele mondiale ntre astfel de tipuri de robo i au fost inaugurate ntre 1-3 octombrie 2002, la Lausanne, incluznd dou concursuri, care au presupus:

Curirea covoarelelor sarcina impus roboilor fiind de a cura n 10 minute o suprafa ct mai mare dintr-o camera obinuit, fr s se ciocneasc de obiecte;

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2. Exemple de sisteme mecatronice

49

Splarea geamurilor scopul fiind splarea unei suprafee ct mai mare ntr-un timp impus.

Cele cteva detalii despre competiiile ntre roboi au reu it, poate, s formeze o imagine asupra marii diversiti de variante i tipuri de roboi mobili i a amplei palete de utilizri. Exist:

n funcie de dimensiuni: macro-, micro- i nano-roboi.

n funcie de mediul n care acioneaz: roboi tereti se deplaseaz pe sol, roboi subacvatici n ap, roboi zburtori n aer, roboi extrateretri pe solul altor planete sau n spaiul cosmic; n funcie de sistemul care le permite deplasarea n mediul n care acioneaz, exist, de exemplu, pentru deplasarea pe sol:

o roboi pe roi sau enile;

o roboi pitori: bipezi, patrupezi, hexapozi, miriapozi; o roboi crtori:

o roboi trtori: care imit micarea unui arpe, care imit micarea unei rme etc;

o roboi sritori, care imit deplasarea broatelor, cangurilor etc.; o roboi de form sferic (se deplaseaz prin rostogolire) etc.

Utilizrile pentru care au fost, sunt i vor fi concepui roboii mobili sunt dintre cele mai diverse i nu pot fi epuizate ntr-un spaiu att de restrns. Muli roboi din zona micro i gsesc utilizarea n medicin, fiind capabili s se deplaseze de-a lungul vaselor i tuburilor corpului omenesc, n scopul investigaiilor, interveniilor chirurgicale, doz rii i distribuirii de medicamente etc. La fel de spectaculoase sunt i multe utilizri ale macro-roboilor:

n domeniul industrial, agricol, forestier: n domeniul industrial roboii mobili sunt reprezentai de AGV-uri (Automated-Guided Vehicles), vehicule pe roi, cu ghidare automat, care transport i manipuleaz piese, constituind o alternativ flexibil la benzile de montaj; n agricultur exist tractoare i maini agricole fr pilot, capabile s execute singure lucrrile pe suprafeele pentru care au fost programate; n domeniul forestier roboii mobili pot escalada copacii nali pentru asanarea lor de crengile uscate etc.;

n domeniul militar: este luat n considerare de ctre armata american perspectiva nlocuirii soldailor combatani cu roboi, pentru a reduce riscul pierderilor umane n lupt; roboi mobili de cele mai ingenioase i robuste configuraii sunt aruncai n cldiri i incinte din zone de conflict, n scopuri de investigare i chiar anihilare a inamicului;

n domeniul utilitilor publice: una dintre cele mai utile i economice utilizri ale roboilor mobili o reprezint inspectarea conductelor de combustibili gazoi i lichizi i a canalelor de canalizare. De exemplu, reeaua de canalizare a Germaniei nsumeaz 400.000 km, iar inspectarea i curirea acesteia este presupune costuri de 36 Euro pe metru. Numai 20% din conducte sunt accesibile, iar utilizarea roboilor poate reduce costurile cu un sfert. Problemele pe care le au de rezolvat

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

50BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

astfel de robo i sunt complexe, ntr-un mediu parial necunoscut, modificat permanent prin sedimentare, surpare, coroziune, racorduri ilegale;

n domeniul distractiv i recreativ: sunt roboii-jucrii, roboii pentru competiii etc.;

n domeniul serviciilor: Exist posibiliti deosebit de largi de implementare. Sunt roboi pentru: deservirea bolnavilor n spitale; ajutorarea persoanelor btrne sau cu diferite handicapuri; ghidarea i informarea publicului n muzee; aspirarea i curirea ncperilor; splarea geamurilor i a pereilor cldirilor; executarea de activiti casnice.

n domeniul securitii: Multe operaii de inspectare i dezamorsare a unor obiecte i bagaje suspecte sunt executate de roboi;

n domeniul operaiilor de salvare: Roboii salvatori (Rescue robots) sunt utilizai n operaiile de salvare a victimelor unor calamiti: cutremure, incendii, inundaii.

2.3.2 Roboii umanoizi: problematic; perspective

Din vasta tematic a roboilor mobili se vor expune succint cteva aspecte din domeniul roboilor umanoizi i al roboilor LEGO, menite s scoat n eviden principalele probleme pe care le ridic construcia i funcionarea acestor sisteme i pe care specialistul n mecatronic trebuie s le stpneasc i s le rezolve. Consideraiile privind roboii umanoizi sunt preluate dintr-un studiu foarte interesant, de previzionare a dezvoltarii n viitor a acestor robo i, finanat de Comisia European [REG03]. Autorii mpart principalele componente tehnice studiate n ase grupe (fig. 2.13).

Fig.2.13 Principalele componente tehnice ale unui robot umanoid

Dintre cele ase componente se vor detalia dou, care reprezint domenii deosebit de interesante de studiu i inovaie pentru mecatroniti: mersul biped i manipularea. Detalii despre celelalte componente pot fi regsite n [DUM06].

2.3.2.1 Mersul biped

Chiar dac un robot pe roi este mai rapid, mai ieftin i mai puin complex dect un robot pitor, abilitatea mersului biped, n poziie dreapt, este considerat ca o condiie esenial pentru ca el s fie tratat, mai degrab ca partener, dect ca main, n relaiile cu oamenii cu care coopereaz. Pentru impactul emoional al robotului, acest

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2. Exemple de sisteme mecatronice

51

tip de mers este un mare avantaj, spre deosebire, de exemplu, de cel asemntor unui pianjen, care poate genera multor oameni fric i dezgust. Alte avantaje ale mersului biped constau n mobilitatea mai mare pe terenuri accidentate, facilitatea de a se deplasa n medii construite pentru oameni, punctul nalt al sistemului de vedere, posibilitatea utilizrii picioarelor i n alte scopuri dect pentru deplasare i facilizarea utilizrii membrelor anterioare pentru operaii de manipulare. Astfel roboii umanoizi pot lovi o minge, pot aciona pedalele unai vehicul, pot urmri podeaua, utiliznd picioarele, sau pot deschide ui, pot manevra obiecte de pe rafturi, pot aciona butoane i comutatoare cu mna. n ceea ce prive te viteza, mobilitatea, stabilitatea sau complexitatea, mersul cu patru sau mai multe picioare este mult mai eficient. Animale cu picioare mai mici i mai puin puternice pot alerga mult mai rapid ca omul, utiliznd patru picioare, iar insectele, care utilizeaz principii de deplasare foarte simple, se pot mica extrem de eficient, utiliznd multe picioare i un centru de greutate plasat foarte jos. Mersul biped de tip uman are dezavantajul unui centru de greutate nalt cu o suprafa mic de contact cu solul, rezultnd un poligon mic de echilibru al corpului, cu consecina pericolului permanent de pierdere a echilibrului, lucru evident, de exemplu, la copii mici care nva s mearg.

Ciclul de control pentru micrile picioarelor unui robot biped este sintetizat n figura 2.14. Pornete de la informaiile primite de la senzori (senzorii interni msoar poziia i orientarea tuturor elementelor robotului, iar senzorii externi furnizeaz informaii despre forma i structura mediului i terenului nconjurtor), care sunt utilizate de algoritmul de control pentru generarea noilor tipare de mers, executate de actuatorii robotului.

Fig.2.14 Ciclu de control pentru micrile picioarelor

Senzorii interni giroscoape, senzori de acceleraie etc. sunt suficient de rapizi pentru a facilita, singuri, o bun stabilitate la mersul lent (static). Informaii suplimentare, legate de distribuia eforturilor n picioare, pot fi furnizate de senzori tactili i de for, montai n tlpi. Odat cu creterea vitezei de deplasare i utilizarea mersului dinamic, sunt necesari senzori externi, n principal camere video, care s transmit date despre mediu i sol. Procesarea imaginilor i complexitatea algoritmilor de control, impun timpi de calcul foarte mari, care limiteaz vitezele de deplasare. Specialitii consider c eficien a senzorilor vizuali i a procesrii imaginilor va crete spectaculos n viitorul apropiat, ntruct constituie obiectul cercetrilor asidue n foarte multe domenii.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

52BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

Actuatorii sunt elementele de acionare care realizeaz micrile n articulaiile picioarelor. Trebuie s asigure viteze i acceleraii mari, n condiiile dezvoltrii unor fore i momente capabile s controleze un robot greu, care se deplaseaz rapid. Pot fi luate n considerare trei tipuri de actuatori:

Motoare electrice: sunt precise i fiabile, asigur precizii i rezoluii mari, iar momentul motor i viteza pot fi determinate cu mare precizie. Dezavantajele rezid n momente i viteze relativ mici, care limiteaz i viteza robotului i impun o mbuntire a performanelor motoarelor electrice n viitor. Majoritatea roboilor bipezi actuali, inclusiv cei mai rapizi, se bazeaz n totalitate pe motoare electrice. Acionri pneumatice i hidraulice. Acionrile pneumatice utilizeaz aerul comprimat ca agent motor i asigur numai micri de translaie, care pot fi ns convertite uor n micri de rotaie ale articulaiilor, datorit curselor limitate ale acestora. Au un timp de reacie scurt, ideal pentru reflexe rapide ale robotului, dar necesit un compresor greu i zgomotos, cu tot sistemul de filtare i distribuie a aerului comprimat i au o precizie redus, datorit compresibilitii aerului, motive pentru care sunt utilizate foarte rar la roboii umanoizi. Un caz aparte l constituie muchii cu aer, ncadrai n categoria muchilor artificiali. Acionrile hidraulice sunt similare cu cele pneumatice, dar utilizeaz ulei n locul aerului comprimat, fiind mai stabile, mai precise, mai puternice, dar mai lente. Se utilizeaz rar la roboii umanoizi i numai n msura n care acionarea hidraulic servete i pentru funciile de manipulare.

Muchi artificiali. Sunt actuatori care simuleaz comportarea muchilor naturali, cu posibilitatea de a comuta ntre dou stri de operare: relaxat i contractat. n consecin, pentru fiecare cupl sunt necesari doi sau mai muli muchi pentru realizarea micrii dorite. Muchii cu aer sunt accesibili n comer i sunt constituii din tuburi de cauciuc, care se contract cnd se introduce aer comprimat. Sunt uori i dezvolt fore i viteze mari, dar au precizii sczute, propieti elastice i necesit aer comprimat. Alte soluii au la baz muchi electrochimici, dar sunt nc n faza de cercetare: muchii din compoziii polimer ionic/metal sunt fii de polimer, care se contract cnd se aplic o tensiune electric; muchii din poliacrylonitril se contract cnd se modific valoarea PH-ului; muchii electro-activi funcioneaz pe baza stimulrii materialelor elastomerice electro-active etc.

2.3.2.2 Manipularea i prinderea

Un robot, umanoid sau de alt tip, n-are nici un sens dac nu interacioneaz cu mediul su nconjurtor. n aceast interac iune un rol important revine func iilor de manipulare, care servesc la prinderea, transportul i manipularea obiectelor. Modelul robotului umanoid - omul este nzestrat cu metode sofisticate de manipulare, ajutnd-se de brae i de mini. Fiecare bra reprezint un lan cinematic deschis (care a constituit un motiv de inspiraie pentru robo ii industriali de tip bra articulat), legat printr-o articulaie sferic de umr, i posed 7 grade de mobilitate: 3 din umr, 2 din cot i 3 din ncheietura minii.

Mna omului, compus din oase, muchi, cartilagii i tendoane, conectate n ncheietura minii, are n total 21 de grade de libertate [DUM00]. Fiecare deget, cu excepia celui mare, are 4 grade de libertate, dou la conexiunea cu palma, unul la

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2. Exemple de sisteme mecatronice

53

captul primului segment, iar altul la cap tul celui de-al doilea segment al degetului. Degetul mare are o dexteritate deosebit i este mult mai complicat, ntruct o mare parte din acest deget este integrat n palm. Multe modele de studiu ale minii umane aproximeaz degetul mare cu un manipulator cu 5 grade de libertate. Mna este acionat de circa 40 de muchi, unii localizai n mn, dar cei mai muli dintre muchii care servesc la ridicarea obiectelor sunt plasai n antebra i sunt conectai prin tendoane la articulaiile minii. Realizarea unor mini artificiale, care s se apropie ct mai mult de mna omului, reprezint o provocare deosebit pentru speciali tii n mecatronic, iar eforturile sunt dirijate, mai ales, n sensul realizrii unor proteze performante, care s asigure funcii de manipulare normale persoanelor cu handicap. Nu toi roboii umanoizi au nevoie de brae i mini sofisticate; muli se pot descurca cu sisteme de prindere cu dou bacuri, care se nchid i deschid, sau cu mini cu 2-3 degete mai simple.

Fig.2.15 Mna Utah/MIT

Mna Utah/MIT din figura 2.15 este constituit din 3 degete cu cte 4 de mobilitate i un deget mare, cu alte 4 grade de mobilitate. Articulaiile sunt acionate cu ajutorul unor muchi artificiali pneumatici, de mare vitez, prin intermediul unor tendoane rezistente din polietilen . Pentru fiecare articulaie se folosesc 2 muchi i 2 tendoane, rezultnd un total de 32 de muchi i 32 de tendoane. Este unul din modele cele mai apropiate de mna uman.

Fig.2.16 Mna lui Salisbury

Mna lui Salisbury, prezentat n figura 2.16 are 3 degete, cu cte 3 grade de mobilitate. Primele dou articulaii ale fiecrui deget permit curse de cte 90, n timp ce a treia articulaie asigur deplasri de 135. Acionarea articulaiilor unui deget se face cu dou motoare, prin intermediul unor cabluri de oel. Fiecare cablu dispune de

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

54BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

un mecanism de tensionare, iar tensiunea din cablu este msurat prin intermediul forei exercitate asupra unei role de ghidare. Poziiile i vitezele din articulaii sunt determinate cu ajutorul senzorilor incrementali montai pe axele motoarelor.

Fig.2.17 Mna Hitachi

Mna Hitachi (fig.2.17) este constituit din 3 degete, cu cte 3 segmente, care permit micri de abducie-aducie i flexie-extensie, asigurnd 12 grade de mobilitate. Acionarea segmentelor se face cu 12 actuatori cu memorie a formei (SMA Shape-Memory Alloy), din aliaj de nichel-titan. Aceti actuatori (care vor fi tratai n capitolul 5) i modific forma cnd sunt parcuri de cureni electrici (nclzii), iar deplasrile determinate de deformarea lor sunt transmise la segmente prin intermediul unor cabluri. Revenirea segmentelor este asigurat de arcuri.

Fiecare din cele trei mini descrise, reprezint un sistem mecatronic, iar alegerea lor pune n eviden ingeniozitatea i diversitatea soluiilor, de la clasicele motoare electrice, la actuatori cu memorie a formei i muchi artificiali.

Realizarea mecanic a unor mini complexe, asemntoare minii umane, este ncadrat de estimrile speciali tilor ntr-un orizont de timp de circa 5-6 ani, dar nu rezolv ntreaga problematic a manipul rii, r mnnd deficitare programele de control inteligent a planificrii manipulrii. Mna uman are un numr mare de grade de libertate: 4x4 pentru cele patru degete, 5 pentru degetul mare i 3 din ncheietura minii. Datorit acestei mari dexteriti, investigarea spaiului tuturor poziiilor posibile de prindere a unui anumit obiect este foarte costisitoare i consum mult timp de calcul. Salisbury a demonstrat, de exemplu, c o mn cu cinci degete, cu cte trei segmente, poate prinde o minge n 840 de moduri diferite.

Oamenii rezolv aceste probleme prin antrenament i prin experiena de o via, memorat n baza de cunotine a creierului, care au la baz cel puin dou principii majore [DUM00]:

Identificarea obiectelor i clasificarea obiectelor 3D n tipuri primitive de obiecte: blocuri, sfere, cilindrii, conuri, piramide etc. Obiectele sunt comparate cu diferitele tipuri primitive, innd cont de dimensiuni, volum, centru de greutate, guri i caviti, orientare. Cnd s-a identificat un tip primitiv, se estimeaz o serie de atribute.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2. Exemple de sisteme mecatronice

55

Cnd se efectueaz o operaie specific de prindere, micrile sunt influenate de scopul operaiei: o sticl cilindric va fi prins n moduri diferite, n funcie de faptul c se dorete umplerea, golirea, ducerea la gur, punerea ntr-o navet etc.; un ciocan va fi prins ntr-un fel pentru a bate i n alt fel pentru a scoate cuie.

Sunt, pe de alt parte, cteva propieti importante, legate de tendina oamenilor de a prinde obiecte [DUM00]:

Oamenii tind s prind obiectele cu degetele plasate pe pri opuse. Pare un lucru normal, din punct de vedere fizic, ntruct forele exercitate astfel asupra obiectului, pentru a asigura o prindere stabil, sunt mai mici dect pentru alte variante de prindere ; n procesul prinderii, omul folosete, aproape ntotdeauna, degetul mare. Operaiile de prindere fr ajutorul acestuia sunt rare i nu par naturale. Prinderea unui obiect, cu degetele pe fee opuse, folosete degetul mare pe una din fee i celelalte degete pe faa opus.

n figura 2.18 sunt prezentai doi roboi umanoizi, realizai de cercettorii japonezi.

Fig. 2.18 Roboi umanoizi: a) robotul Asimo-Honda; b) robotul SUMO-Fujitsu

2.3.3 Roboii LEGO

Studiul mecatronicii reprezint o problem foarte complex , ntruct, pe lng cunotine temeinice din domeniul mecanicii, electronicii i tehnicii de calcul, studentul trebuie s nvee i cum s integreze aceste pri n sistemele mecatronice, pentru a genera efectele sinergetice. ntrebarea este: care sunt sistemele cele mai adecvate acestui scop? Experiena multor universiti prestigioase din lume a confirmat faptul c roboii mobili i, n special, roboii LEGO programabili sunt sisteme

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

56BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

mecatronice ideale, care pot fi utilizate pentru a emula competenele inginereti, interesul tiinific, ideile generale i creativitatea studenilor.

Sistemul LEGO DACTA [LEGO Dacta] asigur un mijloc facil i eficient de a configura i reconfigura structuri de roboi mobili. El conine:

Elemente mecanice, incluznd piese LEGO utilizate pentru a construi structuri mecanice, dar i diferite tipuri de cuple (articulaii), pinioane, curele etc. [MAR95];

Elemente electrice i electronice: motoare, diferite tipuri de senzori, sisteme de comand cu microcontrollere, interfee om-main, interfee ntre PC i microcontroller; Software pentru dezvoltarea programelor de comand a structurilor LEGO.

Unul dintre cele mai recente produse ale firmei LEGO este RCX, un microcalculator autonom, integrat ntr-o pies LEGO (fig. 2.19), care poate fi programat pentru a servi ca un creier al oricrei construcii LEGO. Pachetul educaional pentru RCX se numete ROBOLAB, i este rezultatul parteneriatului dintre LEGO DACTA (divizia lui LEGO care distribuie materiale pentru educaie), Tufts Universitys College of Engineering (S.U.A.) i National Instruments, creatorul software-ului LabVIEW. ROBOLAB este un limbaj de programare vizual, bazat pe LabVIEW, n care utilizatorul leag o serie de pictograme pentru a genera un program. Ultima complectare a pachetului ROBOLAB const n facilitile de procesare a imaginilor, incluse n paleta multimedia, care ofer posibilitatea realizrii unor aplicaii foarte complexe.

Pachetul LabVIEW (National Instruments) reprezint un instrument de programare grafic extrem de puternic i eficient pentru instrumentaia bazat pe tehnica de calcul (instrumentaie virtual), care trebuie nsuit de toi specialitii n mecatronic. Instrumentele virtuale create prin programare pot fi simple aparate de msur sau diferite dispozitive care permit controlul unor instalaii de automatizare. Programele construite cu ajutorul unor pictograme (icons) se numesc virtual instruments (VIs) i cuprind o fereastr care afieaz panoul cu instrumente virtuale (front panel) i o fereastr care afieaz programul propriu-zis la aplicaiei (diagram).

Roboii LEGO sunt utilizai pe scar foarte larg n procesul de instruire a tinerilor de la vrstele cel mai fragede. Studenii trebuie s abordeze probleme complexe, cum ar fi, de exemplu, urmrirea unei traiectorii desenate pe podea, cu ajutorul unuia sau a doi senzori. Se vor prezenta c iva algoritmi elaborai n acest scop n cadrul activitilor de laborator la disciplina Bazele sistemelor mecatronice. Cele mai complexe probleme care pot fi rezolvate cu ROBOLAB, sunt cele care implic utilizarea senzorilor vizuali i procesarea imaginilor [DUM05].

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2. Exemple de sisteme mecatronice

57

2.3.3.1 Configuraia robotului mobil

a. Structura mecanic

Fig.2.19 Robot mobil utilizat pentru teste

Una dintre principalele structuri de robot mobil, construit i utilizat n cadrul testelor, este prezentat n figura 2.19. Include dou roi active n partea din spate, acionat fiecare de cte un motor de curent continuu montat ntr-o pies LEGO, i o roat pasiv n partea din fa. n vrful construciei este amplasat unitatea de comand , RCX, conectat la cele dou motoare (A i C n programele prezentate) i la senzorul de lumin din frunte (senzor 1 n programe). Acest senzor este constituit dintr-un LED (diod luminiscent), care genereaz un fascicul de lumin roie, i un fotodetector care recepionez lumina reflectat de podea i genereaz la ieire o tensiune electric, proporional cu intensitatea luminii reflectate.

Roile active sunt acionate prin intermediul a dou trepte de angrenaje cu roi dinate. Prima include un pinion cu 8 dini, montat pe axul motorului (pinionul de culoare deschis din fig.2.19) i o roat dinat cu 24 de dini, iar a doua, este realizat prin angrenarea roii intermediare de 24 de dini cu o roat de 40 de dini, care antreneaz axul roii active. Raportul de transmitere poate fi calculat cu formula:

i = (24/8) * (40/24) = 5,

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

58BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

i asigur o reducere de 5 la 1 a vitezei unghiulare a motorului i o amplificare de 1 la 5 a momentului dezvoltat de motor. Direcia de deplasare a robotului este controlat, fie prin mi carea ro ilor active n sensuri opuse, fie prin deplasarea acestora cu viteze unghiulare diferite. n cadrul capitolului 3 vor fi prezentate cteva dintre principalele noiuni legate de cinematica i dinamica sistemelor mecatronice, cu prezentarea principalelor tipuri de mecanisme de acionare i a rolului i efectelor acestora.

b. Comunicaia dintre RCX i PC

Fig.2.20 Comunicaia dintre RCX i PC

RCX este o pies LEGO, care poate fi programat pentru comanda motoarelor i achiziia i prelucrarea informaiilor de la senzori. Este echipat cu un procesor de 100 Hz i are trei ieiri de cte 9 Voli (AC) i trei intrri A/D (analog/numeric) de 10 bii (13). Ieirile sunt utilizate pentru comanda motoarelor sau a becurilor, n timp ce intrrile pot fi conectate la o varietete foarte mare de senzori, cum ar fi, senzori de lumin, de temperatur , de contact, de depasare etc. Utilizatorul poate memora maxim 5 programe de lucru n RCX, avnd opiunea protejrii primelor dou la rescriere. Datele sunt transmise de la PC la RCX printr-o unitate n infrarou, conectat la calculator printr-un cablu USB. Interfaa om-main a RCX (HMI Human-Machine Interface) include patru butoane i un afiaj (detaliul din dreapta n fig.2.20).

Programele dezvoltate n ROBOLAB pe PC sunt compilate i transmise n infrarou ctre RCX, unde sunt memorate i executate n mod independent. Cnd se utilizeaz Vision Center pentru achiziia de imagini cu ajutorul unei camere USB, conexiunea dintre PC i RCX este permanent , pentru a transmite ctre RCX detaliile selectate i caracteristicile imaginii prelucrate.

Structura LEGO prezentat n fig.2.19 conine numai dou motoare i un senzor de lumin. Motoarele sunt comandate prin intermediul unor semnale PWM n cinci trepte de vitez (modificatorii de vitez 15 in ROBOLAB), n timp ce ieirea analogic a senzorului este convertit ntr-un numr proporional cu intensitatea luminii reflectate. Este un exemplu concludent al efectelor sinergetice care pot fi obinute ntr-un sistem mecatronic. O structur mecanic simpl, dotat cu elemente mecanice i electronice modeste, este nobilat prin puterea RCX, dar mai ales a ROBOLAB, permind realizarea unor aplicaii surprinztor de complexe.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2. Exemple de sisteme mecatronice

59

2.3.3.2 Algoritmi i programe pentru urmrirea traiectoriei cu un senzor de lumin

Capacitile de programare ale ROBOLAB sunt mprite n dou seciuni, pentru a armoniza necesitile i competenele extrem de diferite ale elevilor i studenilor: Pilot, seciunea elementar de baz, i Inventor, seciunea mai evoluat [POR98]. Ambele utilizeaz pictograme (icons) pentru a reprezenta comenzi i structuri de program. Este elementul de mare noutate i eficacitate introdus de LabVIEW, pionierul i liderul limbajelor de programare grafic , care a revoluionat programarea i a pus bazele instrumentaiei virtuale. n seciunea Pilot, destinat mai ales copiilor, ncepnd cu vrsta de 5 ani, numrul de pictograme este restrns. Se utilizeaz imagini simple de tipul luminilor de trafic, a sgeilor, a ceasurilor, pentru a permite construcia unor structuri de program simple i intuitive. Pentru a satisface necesitile elevilor din ciclurile superioare i ale studenilor, precum i ale programatorilor mai ambiioi, seciunea Inventor ofer un nivel superior de flexibilitate i putere. n seciunea Inventor, op iunile sunt selectate din paleta de funciuni i conectate ntre ele pentru a constitui un program. Aceast seciune ofer structuri de programare de nivel superior, ca multitasking, cicluri de program, variabile, instruciuni condiionale i facilitatea de a crea subroutine. Programatorii n Inventor au access la toate capabilitile RCX.

O problem mai complex, cum ar fi cea a urm ririi unei traiectorii, poate fi rezolvat numai n seciunea Inventor. O soluie, folosit mai des, presupune utilizarea a doi senzori de lumin, plasai simetric fa de conturul curbei urmrite, care are o culoare care contrasteaz fa de culoarea podelei. Aceast soluie este similar cu cea utilizat de AGV-uri (Automated Guided Vehicles), pentru a urmri un cablu electric montat sub podea, n baza tensiunilor electrice induse n dou bobine plasate de fiecare parte a cablului. Orice variaie n intensitatea luminii/tensiunea indus determin o schimbare adecvat a direciei, pentru a repoziiona vehiculul de-a lungul traiectoriei.

n msura n care se folosete un singur senzor de lumin (fig.2.19), o soluie utilizat a presupus configurarea traiectoriei urmrite din fii de hrtie cu trei culori diferite: albastru n mijloc, negru i galben (culoarea podelei) pe cele dou pri. Aceste culori au fost selectate n funcie de reac ia senzorului la fii de hrtie de culori diferite, testat cu ajutorul secvenei extrem de simple de instruciuni, prezentat n figura 2.21 [LEGO]. Prima pictogram (un semafor verde) reprezint nceputul programului. A doua pictogram presupune nc rcarea n containrul galben (un registru al procesorului) a valorii senzorului de lumin, urmat de generarea unui sunet (pictograma 3) i afiarea valorii containrului pe display-ul RCX. Dup 2 secunde (penultima pictogram), un semafor rou determin sfritul execuiei programului.

Fig.2.21 Testarea reaciei senzorului de lumin la hrtii de diferite culori

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

60BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

n scopul elaborrii unui program mai complicat, sunt utile testrile unor secvene mai simple de program, care s verifice reaciile robotului la modific ri ale intensitii luminii, sesizate de senzor. Secvena de comenzi din figura 2.22 pornete ambele motoare cu viteza prezumat, folosete comanda wait for darker (intensitate mai mic a luminii) pentru a reduce viteza la nivelul 1 i comanda wait for brighter (intensitate mai mare a luminii) pentru a accelera motoarele la nivelul 5 al vitezei, timp de 6 secunde, dup care oprete motoarele i ncheie programul.

Fig.2.22 Modificarea vitezei motoarelor n funcie de valorile senzorului de lumin

Secvena de instruciuni din figura 2.23 este foarte asemntoare cu cea din figura 2.27, dar utilizeaz comanda wait for brighter pentru a schimba direcia robotului (rotirea n jurul jurul axei), prin inversarea sensului de rotaie a motorului A.

Fig.2.23 Schimbarea direciei n conformitate cu valorile senzorului de lumin

Aceste secvene simple de program au fost utilizate pentru a dezvolta o secven mai complex de comenzi, prezentat n figura 2.24, care servete la urmrirea unei traiectorii imprimate pe podea, realizat din fii de hrtie de diferite culori (albastr, galben, neagr).

Programul folosete dou structuri de programare de un nivel mai nalt: un ciclu while, care este repetat de un anumit numr de ori (200 de cicluri) i o ramificaie n program care declaneaz dou ramuri simultane. Robotul pornete ambele motoare cu nivelul 2 de vitez i se deplaseaz, dintr-o poziie oarecare, pn cnd ntlnete linia albastr (pragul de lumin 48). Continu s se deplaseze n aceea i direcie pn cnd ntlnete fie linia galben vezi ramura de sus (pragul de lumin 50) i se r sucete spre dreapta spre linia albastr, fie linia neagr vezi ramura de jos cnd se ntoarce spre stnga pentru a ntlni linia albastr.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2. Exemple de sisteme mecatronice

61

Fig.2.24 Secven de instruciuni pentru urmrirea unei traiectorii

Robotul execut mic ri n zig-zag, dar se menine ntotdeauna pe traiectorie, n sensul n care a pornit iniial. Secvena de program poate fi modificat cu uurin pentru , pentru a obine o mi care mai lin, sau pentru a schimba direcia de deplasare a robotului prin apsarea unui senzor de contact (touch sensor).

2.3.3.3 Urmrirea traiectoriei cu ajutorul unei camere video i a Vision Center

Cele mai complexe i spectaculoase experimente, care pot fi realizate cu un robot LEGO, sunt cele care folosesc senzorii vizuali (camere de luat vederi). Utilizatorul poate folosi senzorii pui la dispoziie de componenta Vision Center a ROBOLAB sau poate s i defineasc senzorii proprii. Senzorii realizeaz anumite operaii de prelucrare, pentru a reduce o imagine la un singur numr. Acest numr poate reprezenta una din multiplele propieti ale imaginii. Cu Vision Center activ, unul dintre cei 8 senzori standard (Brightness; Darkness; Bright Location; Motion Row; Motion Column; Motion Location; Blobs1; Blobs2) poate fi ataat unui container (registru) al RCX. Prin contactul permanent, n infrarou, dintre RCX i PC, valoarea containrului este actualizat n permanen cu valoarea senzorului vizual, iar RCX poate reaciona n funcie de imaginile achiziionate de camer.

ROBOLAB ofer o palet ampl de pictograme (comenzi) pentru procesarea imaginilor:

Iniializarea unei imagini mici (Init Small Image); Iniializarea unei imagini mari (Init Large Image);

Iniializarea unei imagini prin Internet (Init Internet Image);

Achiziia unei imagini pe un anumit fond de culoare: Grab RGB; Grab Red; Grab Green; Grab Blue; Grab Grey;

Extragerea unui plan (Extract Plane);

Conversii: Convert to Picture; Convert to Image; Convert to Array;

Reducerea imaginii (Shrink Image);

Obinerea unor detalii dintr-o imagine (Get Image Subset);

Selectarea unei zone de interes (Select ROI - Region of Interest) etc.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

62BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

Fig.2.25 Camera WEB utilizat pentru preluarea imaginilor

Camera utilizat pentru experimente este o Creative WebCam (fig.2.25), conectat la un PC printr-un port USB. Are o frecven maxim a cadrelor de 30Hz i o rezolu ie maxim de 320 (pe orizontal ) x 240 (pe vertical) pixeli, n perfect concordan cu rezoluia maxim asigurat de comenzile ROBOLAB de achiziie a imaginilor. Frecvena maxim a imaginilor achiziionate cu ROBOLAB este variabil, dar este sub 30Hz. Se situeaz, n general, n jurul a 15Hz i depinde de mrimea imaginii i de complexitatea operaiilor de prelucrare a acesteia.

Experimente utile, pentru nelegerea unor principii importante de prelucrare a imaginilor, pot fi dirijate spre folosirea de:

Plane de culoare: sunt utile pentru identificarea obiectelor colorate. Un obiect colorat este mai luminos n planul su de culoare. Un bloc LEGO albastru va fi mai luminos ntr-un plan albastru dect n unul rou sau verde.

Praguri: aplicnd un prag unei imagini, utilizatorul poate izola pri ale imaginii, n funcie de intensitatea unor pixeli. Acest lucru este util pentru separarea obiectelor de fundalul lor.

2.4 Sistemele compact disc

Ultimul exemplu de sistem mecatronic prezentat n acest capitol este unitatea compact disc (CD), produs n zeci i sute de milioane de exemplare la nivel mondial. Unitile de compact disc audio digital (CD-DA) au nceput s fie comercializate din anul 1982, iar cele de stocare a informaiei numerice pentru calculator (CD-ROM) au aprut pe pia n 1987. O unitate compact disc include un sistem mecanico-optic ingenios pentru: introducerea/extragerea discului; rotirea acestuia cu viteza impus; deplasarea sistemului optic n dreptul pistei citite; focalizarea fasciculului laser cu precizii de mm; citirea informaiei optice n care este codificat informaia stocat pe

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2. Exemple de sisteme mecatronice

63

disc. Fa de exemplele prezentate anterior, un rol principal revine la unitile CD sistemului optic de citire/nregistrare a informaiei. Se prefigureaz astfel puntea ctre sisteme mecatronice n care prim-planul revine opticii i optoelectronicii, cum ar fi camere foto, camere video, aparate optice de msur i analiz (de exemplu, spectrofotometre). Schema de principiu a sistemului de poziionare i citire a CD este prezentat n figura 2.26 [SZE01].

Fig.2.26 Schem de principiu

Sistemul de acionare include trei motoare i doi electromagnei :

Un motor electric asigur micarea principal de rotaie a discului. n standardul de baz viteza liniar a compact discului n dreptul cititorului laser este de 1,2 m/s sau 1,4 m/s, vitez care nu s-a modificat, pe parcursul timpului, la discurile audio, ntruct redarea sunetului trebuie s corespund cu condiiile de nregistrare. La discurile care nmagazineaz date s-a tins spre cretrea vitezei liniare, pentru creterea ratei de transfer. Exist un factor X, care arat de cte ori este mai mare viteza liniar a CD-ROM fa de viteza de baz a CD-ROM fa de viteza de baz de 1,21,4 m/s a CD-DA. La un factor X de 50, caracteristic unitilor actuale, rata de transfer a datelor este de circa 5,2 Megabii/secund (MBps). Primele tipuri de sistem CD-ROM utilizau acionarea cu servosisteme ce asigurau o vitez liniar constant (CLV Constant Linear Velocity) ; servosistemele actuale lucreaz cu vitez unghiular constant (CAV Constant Angular Velocity) sau cu profil de vitez predefinit, plasat ntre CLV i CAV.

Un motor acioneaz sertarul culisant n care se aeaz discul, n vederea introducerii/extragerii acestuia din unitate. Micarea de rotaie a motorului este convertit n micare de translaie a sertarului printr-un mecanism delicat din plastic, care include o transmisie cu curea, un reductor cu roi dinate i un angrenaj pinion-cremalier. Acest mecanism asigur i ridicarea unui ansamblu, care cuprinde capul de citire i rola de antrenare, realiznd solidarizarea discului cu axul de rotaie, prin intermediul unui tampon superior.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

64BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

Al treilea motor deplaseaz capul de citire cu laser, ntr-o micare de translaie, de-a lungul a dou coloane de ghidare, prin intermediul unui mecanism reductor i a unui angrenaj pinion-cremalier, n direcie radial, n dreptul pistei citite, fie n salturi, pentru poziionarea n dreptul unei piste corespunztoare unui fiier selectat, fie continuu, pentru citirea informaiei de-a lungul spiralei pe care aceast este codificat.

Un electromagnet radial cu un sistem de amortizare a micrii, asigur reglajele fine ale poziiei radiale a spotului, fie prin corecii de 510 mm, fie prin deplasri mai ample de 50200 mm, care reprezint salturi de 30120 de piste pe direcie radial.

Un electromagnet, cu sistemul lui de amortizare, asigur reglajele de corecie a focalizrii spotului n direcie vertical, prin deplasarea lentilelor care servesc la focalizare cu distane de pn la sute de microni.

Pentru a nelege cum func ioneaz sistemul optic de citire, sunt necesare cteva amnunte despre configuraia i structura unui compact disc (fig.2.27, a). Acesta este un disc din material plastic, cu diametrul exterior de 120 mm, cu o gaur central de 15 mm diametru, pentru fixarea pe axul de rotaie i cu excentricitatea maxim de 50 mm. Pe suportul de plastic este depus un strat de aluminiu de 0,04 mm, care reprezint suprafaa reflectorizant a razei laser. Informaia este nscris pe o spiral unic, care ncepe de la diametrul mic i continu spre diametrul mare, i formeaz piste n care purttoarele de informaie sunt pit-urile, respectiv nite proeminene n lungul pistei cu dimensiuni bine definite. Citirea discului se realizeaz dinspre partea inferioar a discului; raza laser parcurge stratul de plastic transparent i se reflect pe pista de citire, unde alterneaz ridicturile (pit-urile) i zonele dintre ridicturi.

a)

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2. Exemple de sisteme mecatronice

65

b)

Fig. 2.27 Modul de memorare i citire a datelor la CD [SZE01]

Un pit (fig.2.27, a) are limea de 0,6 mm, iar lungimea lui variaz ntre 0,833 mm i 3,56 mm. Distana ntre dou piste vecine este de 1,5 1,7 mm. Astfel n zona de pe disc destinat nmagazinrii informaiei (ntre 50 mm i 116 mm diametru) se obine o densitate de 16.000 de piste pe inch, asigurnd o spiral unic pe CD cu o lungime de 6000 m, n care ncap circa 2x109 pituri.

Citirea informaiei se face cu un fascicul laser, care este generat de dioda laser DL (Al Ga As) i pregtit, n mod adecvat de o serie de componente optice (fig.2.27, b): un sistem de tip colimator, LC, care transform fascicolul divergent ntr-un fascicul paralel, prisma de polarizare, P, care polarizeaz liniar radiaia laser, placa transparent, din cristale anizotrope, Pl/4 (lam sfert de und), care, datorit grosimii de l/4, produce o rota ie a planului de polarizare cu 45 i introduce un defazaj de 90 i, n final, sistemul de focalizare, EDF, cu lentila de focalizare i sistemul cu electromagnei pentru poziionarea acesteia.

Raza reflectat de pe suprafaa cu informaie a CD-ului parcurge din nou placa Pl/4, unde sufer o nou rotire a planului de polarizare cu 45 i este reflectat de prisma de polarizare nspre fotodetectorul FD. Semnalul electric obinut de la fotodetector se numete Eye-Patten -Signal (EPS) i este supus unui proces de formare, procesare numeric, conversie numeric-analogic i amplificare audio.

Radiaia laser are lungimea de und de 0,78 mm n aer, i 0,5 mm n stratul transparent de plastic al CD, care are indicele de refracie n = 1,55. ntruct un pit are nlimea de

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

66BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

0,12 mm, deci circa un sfert din lungimea de und a radiaiei n stratul de plastic, unda reflectat de pe un pit interfer cu unda incident i se anuleaz reciproc (rezultanta zero, lipsa undei reflectate). La fotodetectori un pit este receptat ca lips de radiaie reflectat (zon ntunecat), iar intervalul dintre pituri ca zon luminoas (reflexie total). n tehnica CD se utilizeaz codul EFM (Eight to Fourteen Modulation), care presupune c orice front, care reprezint trecerea de la lumin la ntunecat, sau vice-versa, este interpretat ca 1 logic, iar zonele de ntuneric sau lumin sunt citite ca 0 logic. n acest fel informaia este nregistrat i citit de pe disc sub forma unui flux de bii seriali. Modurile n care se realizeaz codificarea informaiei n vederea nregistrrii pe CD i citirea i recuperarea informaiei de pe acesta, sunt foarte ingenioase i complexe [SZE01] i depesc obiectivele pe care i le-a propus acest capitol.

Acest ultim exemplu, cel al unui sistem compact disc, concentreaz ntr-o carcas, de dimensiuni reduse, multe din elementele i cunotinele pe care trebuie s le studieze i s le stpneasc un specialist n mecatronic:

Un sistem mecanic, cu motoare electrice i actuatori (electromagnei) i mecanisme de acionare complexe, care trebuie s asigure precizii de poziionare de ordinul micronilor i o comand a vitezei unghiulare n limite impuse i riguroase;

Un sistem de citire optoelectronic cu fascicul laser, dispozitive optice pentru adaptarea fasciculului i fotodetector pentru achiziia informaiei de la CD;

Circuite integrate, care implementeaz algoritmi compleci pentru prelucrarea informaiei numerice i analogice etc.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com