Zastosowanie Robotów. Ćwiczenie 1. Mariusz Janusz-Bielecki. laboratorium

Transkrypt

1 Zastosowanie Robotów laboratorium Ćwiczenie 1 Mariusz Janusz-Bielecki Zak lad Informatyki i Robotyki Wersja , 3 Grudnia, 2006

2

3 Wst ep Robotyka jest stosunkowo m lod a dziedzina nowoczesnej nauki i technologii, która l aczy różne tradycyjne ga l ezie nauk ścis lych i technicznych. Zrozumienie ca lej zawi lości robotów i ich zastosowań wymaga znajomości zagadnień elektrycznych, elektronicznych, mechanicznych, inżynierii przemys lowej, nauk komputerowych, ekonomii, matematyki i automatyki. Nowe dzia ly inżynierii, takie jak inżynieria wytwarzania określana również mianem inżynierii produkcji, inżynieria zastosowań i inżynieria wiedzy, w znacznym stopniu dotycza problemów z obszaru robotyki i szeroko pojetej automatyki przemys lowej. Możliwe, że w ciagu kilku lat inżynieria robotyczna stanie sie osobna dziedzina nauk technicznych. Przedmiotem badań robotyki sa zastosowania robotów w nauce, szeroko rozumianej technice, medycynie i innych sferach dzia lalności cz lowieka. Jako dziedzina interdyscyplinarna, zwiazana z mechanika, sterowaniem, inteligencja maszynowa oraz zagadnieniami socjalnymi, a nawet psychologicznymi, robotyka jest szczególnie trudna do zdefiniowania. Teoria i praktyka robotów oraz manipulatorów jest interdyscyplinarna dziedzina badań. Robotyka przemys lowa zajmuje sie zagadnieniami zwiazanymi z zastosowaniem robotów i manipulatorów przemys lowych do robotyzacji takich procesów, jak: odlewnictwo, spawalnictwo, lakiernictwo, pokrycia powierzchni, obs luga pras, montaż, a także wielu innych procesów, szczególnie tych, które wymagaja dużego wysi lku fizycznego, sa czasami szkodliwe, monotonne i niebezpieczne dla zdrowia obs lugujacego. Zastosowanie robotów przemys lowych w ostatnich latach daleko wybiega poza przemys l elektromaszynowy i wkracza do takich dziedzin, jak: górnictwo, rolnictwo, transport, budownictwo, l aczność, chemia, leśnictwo. Szczególny rozwój robotów nastepuje w zwiazku z eksploracja dna morza, a także badaniami prowadzonymi na innych planetach i w przestrzeni kosmicznej. Przysz lość robotów przemys lowych to ich stosowanie w elastycznych systemach produkcyjnych i bezludnych fabrykach. Roboty sa powszechnie wykorzystywane w przemyśle filmowym g lównie w gatunku science fiction. Ostatnio, ze wzgledu na zagrożenie atakami terorystycznymi, chetnie kupuje je wojsko oraz policja.

4

5 Rozdzia l 1 Troch e o robotach Wed lug definicji ISO: manipulacyjny robot przemys lowy jest automatycznie sterowana, programowana, wielozadaniowa maszyna manipulacyjna o wielu stopniach swobody, stacjonarna lub mobilna dla różnych zastosowań przemys lowych. Programowana maszyna oznacza możliwość latwego programowania (zmiany programów), ruchów lub funkcji bez zmiany struktury mechanicznej lub uk ladów sterowania. Wielozadaniowa maszyna oznacza, że może być ona adaptowana do różnych zastosowań przez zmiane struktury mechanicznej lub uk ladu sterowania 1.1 Podzia l robotów Klasy Wyróżnia sie nastepuj ace cztery klasy robotów przemys lowych: Robot sekwencyjny. Jest to robot, który ma sekwencyjny uk lad sterowania. Typowym przyk ladem jest tutaj robot ze sterowaniem punktowym (typu PTP). Robot realizujacy zadana trajektorie. Jest to robot realizujacy ustalona procedure ruchów sterowanych wg instrukcji, które specyfikuja żadan a pozycje (zwykle uzyskiwana przez interpolacje) oraz żadan a predkość w danym po lożeniu. Typowym przyk ladem jest tutaj robot ze sterowaniem ciag lym. Robot adaptacyjny. Jest to robot z sensorycznym, adaptacyjnym albo uczacym sie uk ladem sterowania. Przyk ladami sa uk lady o możliwościach zmiany w laściwości dzieki wykorzystaniu informacji sensorycznej, nagromadzonym doświadczeniom planowania zadań lub przez nauczenie i trening. Typowym przyk ladem jest tutaj robot wyposażony w czujniki wizyjne, w którym jest możliwa korekta ruchu podczas pobierania elementów, montażu lub spawania lukowego.

6 2 Troch e o robotach Teleoperator. Jest to robot ze zdalnym sterowaniem realizowanym przez operatora lub komputer. Jego funkcje sa zwiazane z przenoszeniem na odleg lość funkcji motorycznych i sensorycznych operatora. Wy l acza sie z tej klasy uk lady o po l aczeniach mechanicznych Zastosowania robotów i manipulatorów Do podstawowych zadań robotów przemys lowych można zaliczyć: odlewnictwo żelaza, żeliwa, staliwa, kucie matrycowe i swobodne, obróbka cieplna, spawanie, malowanie, obs luga maszyn, ci ecie, montaż, pakownaie, pomiary, przemys l filmowy, dzia lania operacyjne (wojsko, policja), inne Rozwój robotów przemys lowych Można wyróżnić trzy fazy rozwoju robotów i przemys lu je wytwarzajacego: poczatkowy okres rozwoju tego przemys lu. W 1954 roku rozpocze ly sie prace projektowe i konstrukcyjne. Pierwsze jednostki wytworzone przez firmy Unimation, Yersatran oraz Prab pojawi ly sie w 1962 roku na rynku amerykańskim, a w 1968 roku w Europie, w po lowie lat siedemdziesiatych kilka firm amerykańskich podje lo produkcje przede wszystkim dla potrzeb przemys lu motoryzacyjnego, rozpocz e la si e w latach i trwa obecnie.

7 1.1 Podzia l robotów 3 Ostatnia faza jest uważana za okres gwa ltownego rozwoju robotyzacji. W 1979 roku wartość sprzedaży robotów w USA wynosi la 95 mln USD, wobec 15 mln USD w 1976 r. Jest to faza, w której produkcja robotów przekszta lci la sie w przemys l z lożony z wielu producentów i odbiorców. W końcu roku 1983 w osiemnastu krajach ankietowanych przez Amerykański Instytut Robotyki, ogólna liczba robotów i manipulatorów wynosi la , a samych robotów jednostki. W pierwszym przypadku udzia l poszczególnych krajów by l nastepuj acy: Japonia - 38%, USA - 25%, Francja - 22%, inne - 25%. W drugim przypadku, po wy l aczeniu prostych manipulatorów, w Japonii by lo 59% ogólnej liczby robotów, w USA - 20%, Szwecji - 3%, RFN - 6% i w innych krajach - 12%. Roboty stosowane do przenoszenia materia lów oraz montażu należa ly do najbardziej rozpowszechnionych. Kolejna dziedzina zastosowania robotów sta lo sie spawalnictwo i odlewnictwo. Roboty do prac malarskich i do obróbki wykańczajacej nie by ly wówczas tak popularne jak obecnie. Nadal spawalnictwo i montaż pozostaja najbardziej popularnymi zastosowaniami, kolejne dziedziny to za ladunek i roz ladunek maszyn. W końcu 1983 roku liczba robotów w 20 krajach wynosi la jednostek o l acznej wartości 2940 mln USD. Pod koniec 1991 roku liczba ta wzros la do oko lo jednostek. W maju 1983 roku oko lo 245 firm w Japonii zajmowa lo sie produkcja robotów. Przecietna cena robota wynosi la USD Klasyfikacja robotów przemys lowych Istnieje wiele definicji robotów przemys lowych. Każda z nich w różnym stopniu uwzglednia cechy charakteryzujace te urzadzenia. Zalicza sie do nich: Możliwość wykonywania czynności g lównych lub pomocniczych. Kilka niezależnych stopni swobody (co najmniej dwóch). Programowalność (możliwość odtwarzania nauczonych w procesie ruchów). Zmiany programu w zależności od potrzeb. Robotami przemys lowymi I generacji nazwano urzadzenia wyposażone w pamieć, do której wprowadza sie rozkazy. Nastepnie - już bez ingerencji operatora - zdolne sa one do wykonywania czynności zaprogramowanych. Roboty tej generacji nie moga samodzielnie zbierać informacji o zewnetrz- nym środowisku pracy. Roboty II generacji potrafia rozpoznać żadany obiekt w zbiorze bez wzgledu na jego po lożenie i kszta lt. Dopuszczalna jest także zmiana miejsca pracy robota wzgledem poszukiwanego obiektu. Roboty III generacji charakteryzuja sie pewnymi intelektualnymi możliwościami aktualizowania programu pracy w zmieniajacych sie warunkach.

8 4 Troch e o robotach Wyposażenie robota w analizator obrazu, s luchu i czucia umożliwia rozpoznawanie przedmiotów w przestrzeni, która zosta la zakodowana w pami eci.

9 Rozdzia l 2 Proste zadanie kinematyki Pierwszym napotkanym problemem jest opisanie pozycji narzedzia oraz lokalizacji jego punktów charakterystycznych we wspólnym uk ladzie wspó lrz ednych, najcześciej robota. Zmiennymi niezależnymi bed a w tym przypadku wspó lrz edne konfiguracyjne maszyny. Zagadnienie to znajduje swoje rozwiazanie w wyniku obliczeń prostego zadania kinematyki. Cheć poznania wspó lrz ednych konfiguracyjnych robota w zależności od wiadomych wspó lrzednych narzedzia sprowadza sie do rozwiazania odwrotnego zadania kinematyki. 2.1 Proste zadanie kinematyki (PZK) Najcześciej manipulator rozpoznaje swoja pozycje za pomoca czujników wewnetrznych (tzn. enkoderów pozycji), które sa umieszczone na przegubach a 1 i a 2 w celu bezpośredniego pomiaru katów (zmiennych przegubowych) Θ 1 i Θ 2 (rys. 2.1). Potrzebujemy zatem wyrazić dowolne pozycje robota w zależności od tych katów. Prowadzi to do tak zwanego zadania kinematyki prostej, którego istota jest określenie pozycji i orientacji końcówki roboczej lub narzedzia w zależności od zmiennych przegubowych. Przyje lo sie ustalać sta ly uk lad wspó lrz ednych, nazywany uk ladem odniesienia lub uk ladem bazowym, wzgledem którego rozpatruje sie wszystkie obiekty l acznie z manipulatorem. W naszym przyk ladzie przyjmijmy uk lad bazowy O 0 x 0 y 0 leżacy w podstawie robota, jak to pokazano na rysunku 2.1. Wspó lrz edne narzedzia w tym uk ladzie wspó lrz ednych sa wyrażone wzorami: x 2 = a 1 cos(θ 1 ) + a 2 cos(θ 1 + Θ2) (2.1) y 2 = a 1 sin(θ 1 ) + a 2 sin(θ 1 + Θ2) (2.2) Zależności te w sposób jednoznaczny określaja po lożenie swobodnego końca drugiego cz lonu manipulatora. W praktyce rozwiazanie prostego zadania kinematyki daje odpowiedź na pytanie: gdzie znajduje sie narzedzie? Zwykle

10 6 Proste zadanie kinematyki Rysunek 2.1: Proste zadanie kinematyki - opis w tekście na ostatnim cz lonie robotów przemys lowych montowane bywaj a narz edzia wykorzystywane w przemyśle.

11 Rozdzia l 3 Pytania i ćwiczenia 1. Czym zajmuje si e Robotyka? 2. Co to jest robot przemys lowy? 3. Jakie znasz klasy robotów? 4. Jakie znasz zastosowania robotów i manipulatorów? 5. Podaj klasyfikacj e robotów? 6. Dla dwóch dowolnych robotów p laskich o dwóch stopniach swobody (para obrotowa) rozwiaż zadanie proste kinematyki? 7. Dla robota o dwóch stopniach swobody (pary pryzamtyczne) podaj rozwiazanie prostego zadania kinematyki? (analogicznie do 2.1 i 2.2)

12

13 Dodatek A MuPad MuPad jest programem typu CAS (Computer Algebra System) dostepnym na wiele platform systemowych poczawszy od Uniksa poprzez Linuksa, Widnows, a skończywszy na MacOS. Umożliwia on rozwiazywanie prostych i skomplikowanych zadań, z którymi stykaja sie inżynierowie, studenci oraz naukowcy. Wiecej informacji można znaleźć pod nastepuj acymi adresami: A.1 Bardzo, ale to bardzo krótkie wprowadzenie do MuPad a A.1.1 Uruchamianie W systemie Linux wydajemy komend e: mupad, by pracować w konsoli znakowej lub xmupad, by aplikacja uruchomi la sie w oknie graficznym. W sytemie Windows, korzystajac z myszy, wybieramy z menu Start grupe Programy, nastepnie podgrupe MuPad, by zakończyć podróż klikajac na ikonie MuPadLight A.1.2 Pierwsza sesja Po uruchomieniu w edytorze (tryb znakowy) wprowadź nastepuj acy ciag: 1000!

14 10 MuPad zakończ wciskajac ENTER/RETURN. Zauważ co otrzyma leś w wyniku podje- tych dzia lań? Ile trwa ly obliczenia? Z Jaka wartościa masz doczynienia? Wykonajmy dzia lania na u lamkach zwyk lych: 2/5+3/7 wynik powinień być równy: 29/35. Jak wyglada lby zapis tego u lamka w postaci dziesietnej? Wydajmy polecenie: 29/35 Niestety otrzymaliśmy wynik przedstawiony w postaci zwyk lej. MuPad jest systemem, w którym wartości sa zwracane domyślnie w postaci symblicznej oraz u lamków zwyk lych. Postać dziesietn a otrzymamy wykorzystujac funkcje float(). Opis funckji float() można znaleźć w tutorialu (str. 33).

15 Bibliografia [1] M.W. Spong, M. Vidyasagar, Dynamika i Sterowanie Robotów, WNT, Warszawa. [2] J.J. Craig, Wprowadzenie do Robotyki, WNT, Warszawa. [3] MuPad Team, MuPAD Tutorial, MuPAD v

16 12 BIBLIOGRAFIA