Zastosowanie Robotyki w Przemyśle

Transkrypt

1 Zastosowane Robotyk w Przemyśle Dr nż. Tomasz Buratowsk Wyzał nżyner Mechancznej Robotyk Katera Robotyk Mechatronk

2 WPROWADZENIE Robotyka jest zezną nauk, która łączy różne traycyjne gałęze nauk techncznych. Zrozumene zawłośc buowy robotów ch zastosowań wymaga znajomośc zaganeń elektrycznych, mechancznych, nżyner przemysłowej, nformatyk, ekonom, fzyk matematyk.

3 POJĘCIA PODSTAWOWE I DEFINICJE Dzezna nauk technk zajmująca sę problemam mechank, sterowana, projektowana, pomarów, zastosowań oraz eksploatacj manpulatorów robotów to robotyka. Obszar zastosowana manpulatorów robotów jest barzo uży, obecne jeyne wzglęy ekonomczne mogą ogranczać proces robotyzacj przemysłu. W zsejszych czasach roboty znalazły zastosowane w transporce, meycyne, proukcj przemysłowej, buownctwe oraz śroowskach neprzyjaznych człowekow, czyl w kosmose głębnach morskch. Jenym z funamentalnych pojęć zwązanych z robotyką jest pojęce maszyny cybernetycznej, jest to sztuczne urzązene przeznaczone o częścowego lub całkowtego zastępowana funkcj energetycznych, fzjologcznych ntelektualnych człoweka. Poprzez funkcje energetyczne należy rozumeć zastępowane pracy fzycznej, funkcje fzjologczne jako zastępowane organów, natomast funkcje ntelektualne jako właścwośc aaptacyjne maszyny w zmenającym sę śroowsku.

4 POJĘCIA PODSTAWOWE I DEFINICJE Przy takej efncj maszyny cybernetycznej, mechanzm cybernetyczny można zefnować jako część maszyny cybernetycznej zastępującej czynnośc ruchowe człoweka. Manpulator jest to mechanzm cybernetyczny przeznaczony o realzacj nektórych funkcj kończyny górnej człoweka. Należy wyróżnć wa rozaje funkcj manpulatora: manpulacyjną, wykonywaną przez chwytak wysęgnkową, realzowaną przez ramę manpulatora. Pepulator jest to kończyna olna noga maszyny kroczącej. Pepulator może być ukłaem jeno lub klku członowym. Robot jest to urzązene technczne przeznaczone o realzacj nektórych funkcj manpulacyjnych lokomocyjnych człoweka, posaające określony pozom energetyczny, nformacyjny ntelgencję maszynową. Intelgencja maszynowa to autonoma załana w pewnym śroowsku.

5 Schemat blokowy robota: A Zewnętrzne zaslane Urzązene o obsług (termnal lub panel programowana Komputerowy sterownk robota Ramę robota Pamęć programów (ysk Oprzyrząowane końca ramena robota B C A ukła zaslana, B- ukła sterowana, C ukła ruchu.

6 Ukła Sterowana Zgone z teorą sterowana zaanem ukłau sterowana jest określene sygnałów sterujących, które należy pojąć wobec systemu (robota, aby otrzymać z góry założone właścwośc. Sygnał sterujący zostaje wygenerowany na postawe posaanych anych o tym ukłaze. W przypaku robota zaanem ukłau sterowana jest take generowane sygnałów sterujących aby ukła osągnął żąaną pozycję orentację w przestrzen uwzglęnając omjane przeszkó, kontrolując przy tym postawowe parametry knematyczne ynamczne. Na rysunku ponżej przestawono schemat ogólny ukłau sterowana. Zamknęty ukła sterowana

7 Generacje robotów Barzo częstym określenem zwązanym z robotam jest pojęce generacj robotów, można wyróżnć III generacje robotów. Roboty I generacj to roboty przemysłowe zaprogramowane na określoną sekwencję czynnośc. Schemat blokowy ukłau sterowana robota I generacj pokazano na rysunku ponżej. Otwarty ukła sterowana

8 Roboty II generacj Roboty II generacj są wyposażone w różnego rozaju czujnk umożlwające określoną współpracę z otoczenem. Roboty II generacj pownny spełnają warunek takej taktyk przy kontakce ze śwatem zewnętrznym, aby uzyskać optymalny efekt załana. Robot pownen rozpoznawać żąany obekt nawet wówczas, gy przemeszcza sę z nnym obektam, następne rozpoznać ten obekt bez wzglęu na jego położene kształt geometryczny. Take roboty realzują te wymagana za pomocą zespołu czujnków. Schemat blokowy ukłau sterowana robota II generacj przestawono na rysunku ponżej. Zamknęty ukła sterowana

9 Roboty III generacj Roboty III generacj to roboty typu ręka-oko (rozpoznawane obektów. Schemat ukłau sterowana la robotów III generacj jest tak sam jak la robotów II generacj. W tym ukłaze nformacja o otoczenu jest oberana za pomocą sensorów wzyjnych oraz przekazywana o komputera, co umożlwa, przy znajomośc moel knematyk ynamk manpulatora oraz kryterum sterowana, realzację zaplanowanego zaana, np. zaanej trajektor. Zamknęty ukła sterowana Zamknęty ukła sterowana z ujemnym sprzężenem zwrotnym Zamknęty ukła sterowana z ujemnym sprzężenem zwrotnym oraz sprzężenem o przou.

10 PARAMETRY OPISUJĄCE MANIPULATORY I ROBOTY Manpulatory roboty przemysłowe najczęścej posaają otwarty łańcuch knematyczny. Łańcuchy te skłaają sę z klku ognw czynnych umożlwających przestrzenne przemeszczane orentacje końcówk roboczej, czyl efektora. Lczba stopn swoboy jest to lość zmennych położena, jaką należy poać w celu jenoznacznego określena ukłau w przestrzen. W celu wyznaczena lczby stopn swoboy korzysta sę ze wzoru: w = 6n 5 = p gze: w lczba stopn swoboy n lczba członów ruchomych p lczba połączeń opowenego rozaju

11 PARAMETRY OPISUJĄCE MANIPULATORY ROBOTÓW Dla przestawonego manpulatora można wyznaczyć lczbę stopn swoboy oraz zaznaczyć lość oraz rozaj napęów, jake trzeba zastosować, aby manpulator mógł spełnać swoje zaane. określono lczbę członów ruchomych manpulatora, która wynos n=. Następne określono lczbę połączeń opowenego rozaju, w przypaku analzowanego manpulatora występują wyłączne pary knematyczne klasy V, czyl p5= (2 przeguby obrotowe 2 przeguby pryzmatyczne. Wykorzystując powyższy wzór wyznaczono lczbę stopn swoboy w równą: w=6*-5*= Aby manpulator spełnał założena projektowe należy zastosować napęy w sposób przestawony na rys.

12 PRZESTRZEŃ ROBOCZA W przestrzen roboczej wyróżna sę następujące obszary: główną przestrzeń roboczą w obrębe której przemeszcza sę konstrukcyjne zakończene ostatnego, wolnego, ale nerozzelne zwązanego z mechanzmem jenostk knematycznej członu, z reguły sprzęgu chwytaka lub narzęza; przestrzeń kolzyjną w obrębe której zawerają sę wszystke elementy konstrukcyjne przemeszczają sę wszystke zespoły ruchu człony mechanzmu jenostk knematycznej; strefę zagrożena przestrzeń zabrononą przepsam lub normam BHP la obsług w czase pracy jenostk knematycznej.

13 DOKŁADNOŚĆ I POWTARZALNOŚĆ Innym stotnym parametram opsującym manpulatory roboty są okłaność powtarzalność. Dokłaność manpulatora określa jak blsko manpulator może ojść o zaanego punktu w przestrzen roboczej. Powtarzalność jest welkoścą określającą jak blsko manpulator może ojść o pozycj uprzeno osągnętej. Postawową metoą pomaru położena końca efektora jest pomar zman położena w poszczególnych złączach. W robotach przemysłowych praktyczne ne stosuje sę bezpośrenego pomaru pozycj orentacj końca efektora, spowoowane jest to wysoką ceną wrażlwoścą na zakłócena takch czujnków. Najczęścej pozycję narzęza oblcza sę na postawe przemeszczeń oczytanych na poszczególnych złączach, jenak aby otrzymane położene było okłane należy założyć geometrę manpulatora jego sztywność.

14 KLASYFIKACJA ROBOTÓW Jenym z kryterów klasyfkacj robotów jest rozaj zastosowanych napęów tak można pozelć następująco manpulatory: z napęem pneumatycznym z napęem hyraulcznym z napęem elektrycznym z napęem meszanym Obecne roboty przemysłowe barzo często posaają napęy elektryczne, pneumatyczne lub meszane (elektryczne pneumatyczne. Napęy hyraulczne stosuje sę główne w przypaku struktur, których przeznaczenem jest praca z użym obcążenem. Interesującym kryterum pozału robotów mogą być równeż własnośc geometryczne, pozał ten reprezentują struktury o otwartym łańcuchu knematycznym: kartezjańska (PPP cylnryczna (OPP antropomorfczna (OOO sferyczna (OOP typu SCARA (OOP

15 KLASYFIKACJA NA PODSTAWIE WŁASNOŚCI GEOMETRYCZNYCH KONFIGURACJA KARTEZJAŃSKA (PPP Manpulator, którego trzy perwsze przeguby są pryzmatyczne, jest nazywany manpulatorem kartezjańskm. Konfgurację tego manpulatora przestawono na schemace przestrzennym. Konfguracja kartezjańska (PPP Główna przestrzeń robocza Dla manpulatora kartezjańskego zmenne przegubowe są współrzęnym kartezjańskm końcówk roboczej wzglęem postawy. Borąc po uwagę ops knematyk tego manpulatora jest on najprostszy spośró wszystkch konfguracj.

16 KLASYFIKACJA NA PODSTAWIE WŁASNOŚCI GEOMETRYCZNYCH KONFIGURACJA KARTEZJAŃSKA (PPP Istneje wele frm, które zajmują sę sprzeażą robotów o strukturze kartezjańskej. Przykłaowo Frma SEIKO ostarcza roboty XM3, które są reprezentantam tej struktury. Taka struktura manpulatora jest korzystna w zastosowanach główne o montażu na blace stołu oraz o transportu materałów lub łaunków.

17 KLASYFIKACJA NA PODSTAWIE WŁASNOŚCI GEOMETRYCZNYCH KONFIGURACJA CYLINDRYCZNA (OPP W konfguracj cylnrycznej perwszy przegub jest obrotowy wykonuje obrót wzglęem postawy, poczas gy następne przeguby są pryzmatyczne. W takej strukturze zmenne przegubowe są jenocześne współrzęnym cylnrycznym końcówk roboczej wzglęem postawy, a przestrzeną roboczą jest nepełny cylner. Konfguracja cylnryczna (OPP Główna przestrzeń robocza

18 KLASYFIKACJA NA PODSTAWIE WŁASNOŚCI GEOMETRYCZNYCH KONFIGURACJA CYLINDRYCZNA (OPP Jenym z przykłaów struktury cylnrycznej jest robot RT33 frmy SEIKO. Struktura ta znajuje zastosowane w przemyśle główne o paletyzacj elementów, czyl ukłaana etal na paletach.

19 KLASYFIKACJA NA PODSTAWIE WŁASNOŚCI GEOMETRYCZNYCH KONFIGURACJA ANTROPOMORFICZNA (OOO Do grupy manpulatorów antropomorfcznych zalcza sę te manpulatory które posaają strukturę skłaającą sę z trzech przegubów obrotowych. Konfguracja antropomorfczna (OOO Główna przestrzeń robocza

20 KLASYFIKACJA NA PODSTAWIE WŁASNOŚCI GEOMETRYCZNYCH Przestawone struktury manpulatorów noszą równeż nazwę manpulatorów z łokcem, przykłaem takej struktury mogą być np. roboty frmy Mtsubsh ser RV. Ponżej przestawono manpulator RV-A oraz manpulator RV-2AJ. Manpulator RV-A Manpulator RV-2AJ Taka konfguracja zapewna stosunkowo użo swoboy ruchu w zamknętej przestrzen.

21 Istneje wele nnych frm zajmujących sę proukcją robotów z antropomorfczną konfguracją manpulatora, przykłaowo frmy UNIMATE, DENSO, KAWASAKI, ABB, MITSUBISHI. Przykłaowe moele trójwymarowe manpulatorów frmy ABB przestawono ponżej. IRB- IRB-6 IRB- IRB-2 IRB- IRB-66 IRB-6R

22 KONFIGURACJA SFERYCZNA (OOP Konfguracja sferyczna powstaje z zastąpena w konfguracj antropomorfcznej trzecego przegubu obrotowego przegubem pryzmatycznym. Konfguracja sferyczna (OOP Główna przestrzeń robocza

23 KONFIGURACJA SCARA (OOP Konfguracja SCARA (Selectve Complant Artculate Robot for Assembly, obecne jena z częścej występujących struktur w przemyśle. Głównym przeznaczenem tej klasy manpulatorów jest montaż elementów pozespołów oraz powtarzalne przenoszene etal oraz ch sortowane. Konfguracja SCARA (OOP Przestrzeń robocza

24 Istneje wele frm zajmujących sę konstruowanem sprzeażą tej klasy robotów mezy nnym frmy: MITSUBISHI, SONY, EPSON, ADEPT, YAMAHA, SEIKO, DENSO. Na rys. zlustrowano reprezentanta konfguracj SCARA manpulator ser ES frmy SEIKO. Manpulator ser ES frmy SEIKO Dostępne konfguracje manpulatora SCARA

25 Ponżej zlustrowano poszczególne moele robotów w których manpulator posaa strukturę SCARA. RH-5AH frmy MITSUBISHI SRX6 frmy SONY YK5XP frmy YAMAHA YKX frmy YAMAHA AeptOne frmy ADEPT

26 KLASYFIKACJA NA PODSTAWIE WŁASNOŚCI GEOMETRYCZNYCH MANIPULATORY RÓWNOLEGŁE O ZAMKNIĘTYM ŁĄŃCUCHU KINEMATYCZNYM Przykłaem robotów posaających zamknęty łańcuch knematyczny są roboty równoległe. Zostały one skonstruowane w celu poprawena nezawonośc szybkośc załana. Przykła robota równoległego został przestawony ponżej jest to robot IRB 3 frmy ABB. Zasaa załana tego typu robotów opera sę na e opoweno zaprojektowanych ramon robota. Użyce tych ramon pozwala ustawć pozycję orentację ruchomej platformy.

27 KLASYFIKACJA NA PODSTAWIE BUDOWY JEDNOSTKI KINEMATYCZNEJ JEDNOSTKI MONOLITYCZNE Do tego typu konstrukcj zalcza sę jenostk knematyczne o stałej, nezmennej konstrukcj mechanzmu. Proucent ostarcza wszystke nezbęne zespoły ruchu wraz z efektorem zgone z oczekwanam oborcy. Przy obecnym rozwoju technk należy zauważyć ż jenostk monoltyczne znajują coraz mnejszą grupę oborców ze wzglęu na wymagana zwązane z elastycznoścą zrobotyzowanych systemów proukcyjnych. JEDNOSTKI MODUŁOWE Do tego typu konstrukcj zalcza sę jenostk knematyczne złożone zgone z potrzebam z ostarczonych przez proucenta gotowych zespołów ruchu (moułów. Pommo że proucent ne ograncza możlwych o zestawena struktur, jenak są one ogranczone przez własnośc mechanczne ynamczne ostarczonych moułów. Na rysunku przykła jenostk moułowej frmy ADEPT

28 JEDNOSTKI PSEUDOMODUŁOWE Do tej grupy konstrukcj zalcza sę jenostk o stałej strukturze knematycznej, ale opuszczonej przez proucenta możlwośc wymany przez użytkownka nektórych zespołów ruchu, z reguły bęących na końcu łańcucha knematycznego. Ponżej zlustrowano przykłaową jenostkę pseuomoułową o konfguracj SCARA z możlwoścą zastosowana opowenej końcówk roboczej. - manpulator ser ES frmy SEIKO

29 PRZEKSZTAŁCENIA JEDNORODNE Przestawona ponżej macerz ma wymar, gze oznacza (, tak zaps umożlwa stwerzene, że ruchy sztywne mogą być reprezentowane przez zbór macerzy: W przestawonym powyżej równanu n=(n x n y n z T jest wektorem reprezentującym kerunek os O x w ukłaze O x y z, s=(s x s y s z T reprezentuje kerunek os O y, natomast a=(a x a y a z T reprezentuje kerunek os O z. Wektor =( x y z T jest reprezentacją wektora o początku O o początku O wyrażony w ukłaze O x y z. W macerzy H występują równeż take welkośc jak skala perspektywa, które w nnejszym opracowanu zawsze bęą mały przestawoną postać. Macerz H nazwano przekształcenem jenoronym.

30 Dokonano założena, że A jest macerzą przekształcena jenoronego, które transformuje współrzęne punktu z ukłau o ukłau -. Macerz A ne posaa stałych wartośc, lecz zmena sę wraz ze zmaną konfguracj robota w przestrzen. Dokonując założena, że wszystke przeguby są obrotowe lub pryzmatyczne oznacza to, ż A jest funkcją tylko jenej zmennej q. Taka konwencja powouje, ż każe jenorone przekształcene A jest reprezentowane przez cztery przekształcena postawowe: NOTACJA DENAVITA-HARTENBERGA x a x z z Rot Trans Trans Rot A α,,,, = x a x z z,,,, = cos( sn( sn( cos( cos( sn( sn( cos( a A α α α α Postawowe cztery welkośc, a,, α są parametram członu oraz przegubu. Postawowe parametry w równanu nazwano opoweno: a ługość członu α skręcene członu osunęce przegubu kąt przegubu

31 KINEMATYKA PROSTA Wyznaczyć orentację położene końcówk w przestrzen la manpulatora o czterech stopnach swoboy zlustrowanego na rysunku ponżej.

32 KINEMATYKA PROSTA Dane są ługośc poszczególnych członów manpulatora opoweno:, a2, 3,, merząc o postawy. Rys. Schemat z wymaram

33 KINEMATYKA PROSTA W przypaku przestawonej struktury manpulatora najprostszy sposób przyjęce ukłaów współrzęnych został przestawony na rysunku ponżej. ukła a α,var 2 2,var ,var -9,var + 5

34 la ukłau I,, Rot z Trans z A = = = cos( sn( sn( cos( cos( sn( sn( cos( A la ukłau II 9,, 2 2 = x Trans z Rot A KINEMATYKA PROSTA 9,, 2 2 x z = = A la ukłau III 9,, 3 3 = x Trans z Rot A = = A

35 la ukłau IV,, Rot z Trans z A = + = + = cos( sn( sn( cos( cos( sn( sn( cos( 5 5 A KINEMATYKA PROSTA tak węc: 3 2, A A A A T = + = cos( cos( sn( sn( sn( cos( , T