Robotyka i mechatronika

Transkrypt

1 Robotyka i mechatronika Literatura: Craig J. J.: Wprowadzenie do robotyki, WNT, Warszawa, Buratowski T. : Postawy robotyki, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, AGH, Kraków 2006

2 Istota mechatroniki polega na dodawaniu (w coraz większym stopniu) rozwiązań elektronicznych do mechanizmów w celu uzyskania możliwie najlepszych efektów. Słowo mechatronika pojawiło się po raz pierwszy w roku 1969 w Japonii. Zostało wprowadzone przez T. Mori z japońskiej firmy Yaskawa. Do wczesnych lat 80. XX wieku termin mechatronika oznaczał mniej więcej tyle co zelektryfikowany mechanizm. W połowie lat 80. XX wieku w Europie przez mechatronikę zaczęto rozumieć nową dziedzinę, która zapełniła lukę, jaka istniała wówczas między inżynierią mechaniczną a elektroniką. W Stanach Zjednoczonych jednak niechętnie odnoszono się do samego terminu mechatronika preferując zamiast niego określenie inżynieria systemów. W kolejnych latach definiowano mechatronikę na różne sposoby. Zgodnie z definicją przyjętą przez International Federation for the Theory of Machines and Mechanism mechatronika jest : synergiczną kombinacją mechaniki precyzyjnej, elektronicznego sterowania i systemowego myślenia przy projektowaniu produktów i procesów produkcyjnych".

3 Mechatronikę można dziś określić jako dziedzinę inżynierii, która stanowi połączenie inżynierii mechanicznej, elektrycznej, komputerowej, automatyki i robotyki, służącą projektowaniu i wytwarzaniu nowoczesnych urządzeń.

4 Typowe, wybrane definicje mechatroniki próbują ująć różne aspekty jej zastosowań np.: - Typowy system mechatroniczny rejestruje sygnały, porównuje z programem sterującym i przetwarza, na przykład w siły i ruchy. - Mechatronika to synergiczne połączenie dyscyplin mechanicznych i elektrycznych w nowoczesnych pracach konstrukcyjnych. - Jest ona nowym pojęciem w konstruowaniu systemów, urządzeń i produktów, ukierunkowanym na osiągnięcie optymalnej równowagi między podstawową strukturą mechaniczną i jej całkowitym sterowaniem - Mechatronika stanowi integrację inżynierii mechanicznej z elektroniką oraz inteligentnym sterowaniem komputerowym w konstruowaniu i wytwarzaniu produktów i procesów.

5 Produkty mechatroniki powinny cechować się wielofunkcyjnością, elastycznością i możliwością łatwego konfigurowania, a także adaptacyjnością i prostotą obsługi. Przedmiotem zastosowań mechatroniki jest między innymi wytwarzanie: układów sterowania pojazdami nowoczesnych zabawek zaawansowanych urządzeń powszechnego użytku oraz elektroniki użytkowej urządzeń automatyki i robotyki, w tym robotów przemysłowych obrabiarek sterowanych numerycznie aparatury medycznej mikrosystemów narzędzi do pomiarów

6 Urządzenie mechatroniczne jest to system programowalny i samosterowny realizujący funkcje użytkowe, do których został stworzony. Współczesny sprzęt fotograficzny, zarówno ten klasyczny jak też cyfrowy, to typowy przykład rozwoju produktów mechatroniki. Automatyczne ustawianie ostrości, w oparciu o dowolny wybrany obiekt, dozowanie oświetlenia lampą błyskową, dobór parametrów do typu fotografii, ustawianie czasu i przesłony, w zależności od wybranego programu i warunków zewnętrznych, to tylko niektóre z oferowanych przez nie funkcji. Doświadczenia z konstrukcji układów automatycznych aparatów zostały zaadaptowane w konstrukcji współczesnych kamer i aparatów cyfrowych.

7 Podobnie jak sprzęt fotograficzny produkty mechatroniczne wkroczyły do gospodarstwa domowego. Każdy z nas korzysta z pralki automatycznej. Wybór programu stał się oczywistą czynnością, a przecież towarzyszą mu określone funkcje, realizowane przez pralkę. Pralka potrafi sama dozować wodę, wyłączać i włączać grzałkę, ale również dopasowywać obroty wirowania do obciążenia bębna, a nawet rozkłada wirowane rzeczy na obwodzie bębna, tak by nie powodować jego nadmiernych drgań. Wiemy również, że w przypadku awarii nasze, nawet zaawansowane, umiejętności techniczne są zazwyczaj niewystarczające do ewentualnej naprawy. Zaglądając do środka, możemy dostrzec nie tylko części mechaniczne, ale również wiązki przewodów elektrycznych, czujniki, oraz elektroniczny blok sterujący wszystko to, co pozwala na takie właśnie jej działanie.

8 Innym z przykładów jest sprzęt kuchenny. Robot wieloczynnościowy, ekspres do kawy, kuchenka mikrofalowa a nawet płyta kuchenna, to znowu sprzęt programowalny i w jakimś stopniu obdarzony zdolnością analizowania zmieniających się warunków zewnętrznych.

9 Ostatnią z omawianych grup są urządzenia transportowe. Chodzi tu głównie o samochody oraz sprzęt lotniczy. Współczesny samochód to komputer sterujący: - wtryskiem paliwa - mocą silnika i optymalnym zużyciem paliwa - bezpiecznym hamowaniem (ABS) - bezpiecznym cofaniem (czujnik ultradźwiękowy) - nawigacją samochodu (mapa z połączeniem GPS) a nawet odmową uruchomienia dla kierowcy nietrzeźwego. Współczesny samolot to całkowicie zmieniony wygląd kokpitu i tablicy przyrządów. Szereg czynności zostało zautomatyzowane, a o zagrożeniach informuje układ czujników i program sterujący komputera pokładowego oraz monitory, zamiast klasycznych przyrządów pokładowych. Współczesny samolot to bezpieczny lot w trudnych warunkach, automatyczny pilotaż na zadanym pułapie. To zautomatyzowane procedury związane z fazami lotu, jego rejestracją i nawigacją. We wszystkich tych układach możemy spotkać elementy systemów mechatronicznych.

10 Robotyka Podobnie jak do naszego najbliższego otoczenia, mechatronika wkroczyła do procesu produkcyjnego współczesnych zakładów przemysłowych. Proces produkcyjny, w wyniku ewolucji uległ automatyzacji - pojawiło się pojęcie linii produkcyjnej. Początkowo szereg powtarzalnych czynności, w poszczególnych miejscach linii, wykonywali pracownicy. Monotonia, szkodliwość warunków pracy, zmęczenie to tylko niektóre z czynników, które stały się motorem poszukiwania innych rozwiązań. W miarę rozwoju techniki i informatyki zaczęto prowadzić prace, których celem stało się stworzenie programowalnych układów mechanicznych, mogących wykonywać powtarzalne ruchy i czynności związane z ich użytecznym wykorzystaniem powstały pierwsze roboty przemysłowe. Prace nad ich udoskonalaniem i wdrażaniem zaczęto realizować w nowo utworzonym dziale nauki i techniki nazwanym - robotyką. Robotyka to nie tylko budowa robotów, to również teoria ich pracy i sterowania ruchem. Efektem prac nad robotami stały się współczesne roboty przemysłowe. Możemy je znaleźć w spawalni, na linii montażowej, w obsłudze gniazd produkcyjnych i obrabiarek. Niektóre zaopatrzone w układ jezdny mogą realizować zadania specjalne, wyręczając lub zastępując człowieka.

11 Początkowo niezależne dziedziny techniki - automatyka i robotyka zbliżyły się do mechatroniki, obdarzając swoje wyroby dużo większą samodzielnością. W wyniku rozwoju robotyki jej produkty otrzymały niezależność ruchową powstały konstrukcje samojezdne lub samo przemieszczające się. Efektem tych prac stały się roboty inteligentne do prac saperskich, do poszukiwań na ziemi i w powietrzu, a nawet eksploracji innych planet.

12 Robotyka zaadaptowała z mechatroniki większość jej osiągnięć. Ze względu na specyfikę zastosowań, oraz część badawczą, związaną z opisem ruchów realizowanych przez mechanizmy robotów, stanowi jednak w dalszym ciągu wydzieloną dziedzinę techniki. Celem robotów jest zrealizowanie sterowanego ruchu w celu wykonania zaprogramowanej czynności. Efektem zastosowań robotyki stały się współczesne roboty przemysłowe, które wraz z automatyczną linią produkcyjną, oraz jej sterowaniem, tworzą rozbudowany system mechatroniczny.

13 Roboty manipulacyjne Wprowadzenie Robotyka jest stosunkowo nową dziedziną nauki, która łączy różne tradycyjne gałęzie nauk technicznych. Zrozumienie zawiłości budowy robotów i ich zastosowań wymaga znajomości zagadnień elektrycznych, mechanicznych, inżynierii przemysłowej, nauk komputerowych, ekonomii i matematyki. Nowe działy inżynierii, takie jak inżynieria wytwarzania, inżynieria zastosowań i inżynieria wiedzy, w znacznym stopniu dotyczą problemów z obszaru robotyki i szeroko pojętej automatyki przemysłowej. Historia robotyki Pojęcie "ROBOT" w literaturze wystąpiło po raz pierwszy w sztuce czeskiego pisarza Karel'a Ĉapka ( ) R.U.R (Rossum's Universal Robots) w roku Słowo "robot" oznacza w języku czeskim pracę lub służbę przymusową. W roku 1942 Isaac Assimov w krótkim opowiadaniu "Runaround" po raz pierwszy użył słowa robotyka. W kolejnych latach Assimov w swoich utworach niejednokrotnie poruszał tematy robotyki.

14 W roku 1950 wydał zbiór opowiadań pod tytułem "Ja, robot". Assimov wprowadził także trzy prawa robotyki, według których, jak uważa autor, powinny być programowane roboty: Prawo zerowe: Robot nie może szkodzić ludzkości, ani nie może, przez zaniedbanie, narazić ludzkości na szkodę. Prawo pierwsze: Robot nie może zranić istoty ludzkiej, ani nie może przez zaniedbanie narazić człowieka na zranienie, chyba, że narusza to prawo o wyższym priorytecie. Prawo drugie: Robot musi spełniać polecenia wydawane przez człowieka, poza poleceniami sprzecznymi z prawami o wyższym priorytecie. Prawo trzecie: Robot musi chronić samego siebie dotąd, dopóki nie jest to sprzeczne z prawem o wyższym priorytecie.

15 Pierwsze roboty przemysłowe Po gwałtownym rozwoju techniki w czasie drugiej wojny światowej w 1956 roku G.C. Devol i J.S.Engelberger rozmawiając o twórczości Assimov'a postanowili stworzyć działający egzemplarz robota. Engelberger założył firmę "UNIMATION" zajmującą się automatyzacją w szerokim tego słowa znaczeniu i będącą pierwszą firmą produkującą roboty. Pierwszym robotem stworzonym przez "Unimation" był robot nazwany "UNIMATE". W wyniku, czego Engelberger został nazwany ojcem robotyki. Pierwszy Unimate zainstalowany został w fabryce General Motors w Trenton przy obsłudze wysokociśnieniowej maszyny odlewniczej, w kolejnych latach roboty Unimate zostały przystosowane do pracy także w innych gałęziach przemysłu.

16 Rozwój robotyki Według definicji wprowadzonej w 1979 roku przez (Robotics Industries Association) robot to: "Programowalny, wielofunkcyjny manipulator zaprojektowany do przenoszenia materiałów, części, narzędzi lub specjalizowanych urządzeń poprzez różne programowalne ruchy, w celu realizacji różnorodnych zadań". Podstawową cechą robotów jest ich programowalność, co pozwala bez większych kłopotów przystosować robota do zmiennych wymagań i środowisk pracy. Początkowo roboty były projektowane do wykonywania różnych czynności związanych z przenoszeniem materiałów. Program pracy zawierał zamkniętą sekwencję ruchów z punktu A, zamknięcie chwytaka (uchwycenie przenoszonego przedmiotu), ruch do punkty B, otwarcie chwytaka (odłożenie przenoszonego przedmiotu). Roboty te nie były wyposażone w żadne zewnętrzne czujniki. Dopiero zastosowanie robotów do bardziej skomplikowanych czynności jak spawanie, stępianie krawędzi czy montaż zmusiło konstruktorów do stworzenia robotów posiadających możliwość wykonywania bardziej skomplikowanych ruchów i wyposażenie ich w czujniki pozwalające im na większą interakcję z otoczeniem.

17 Ważne daty w historii robotyki: Słowo robot pojawiło się po raz pierwszy w literaturze, użyte w sztuce "Opilek" Czeskiego pisarza Karel'a Ĉapka Issac Assimov umieszcza termin robotyka w swojej noweli science-fiction i formułuje Trzy Prawa Robotyki Opracowanie pierwszego teleoperatora z serwonapędem elektrycznym Zaprojektowanie pierwszego programowalnego robota przez Georg'a Devola Zakupienie praw do robota Devola i założenie firmy Unimation przez Josepha Engelbergera, studenta fizyki na Uniwersytecie Columbia Pierwszy prototyp robota Unimate zainstalowany w fabryce General Motors Opracowanie pierwszego robota ze sprzężeniem zwrotnym od siły Unimation otrzymuje zamówienie na serie robotów z zakładów General Motors W Unimate General Motors rozpoczęto montaż nadwozi Chevrolet'a Vega przy pomocy robotów Unimate Opracowanie robota Stanford Arm na Uniwersytecie Stanford ASEA część przedsiębiorstwa Vasteras ze Szwecji prezentuje roboty elektryczne IRb 6 i IRb 60 przeznaczone do automatycznych operacji szlifierskich Wprowadzenie przez firmę Cincinnati Milacron robota ze sterowaniem komputerowym Wprowadzenie przez firmę Unimation robota PUMA (Programmable Universal Assembly), opracowanego na podstawie projektu powstałego w trakcie badań w fabryce General Motors Wprowadzenie robotów SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) w Japonii.

18 Zostaje opracowany PROWLER, pierwszy z serii robotów militarnych Rozpoczęcie prac nad robotem humanoidalnym przez firmę HONDA Robot mobilny Sojourner ląduje na Marsie 4 lipca Skonstruowanie pierwszego bionicznego ramienia

19 Pojęcia podstawowe i definicje Dziedzina nauki i techniki zajmująca się problemami mechaniki, sterowania, projektowania, pomiarów, zastosowań oraz eksploatacji manipulatorów i robotów to robotyka. Jednym z fundamentalnych pojęć związanych z robotyką jest pojęcie maszyny cybernetycznej, jest to sztuczne urządzenie przeznaczone do częściowego lub całkowitego zastępowania funkcji energetycznych, fizjologicznych i intelektualnych człowieka. Poprzez funkcje energetyczne należy rozumieć zastępowanie pracy fizycznej, funkcje fizjologiczne jako zastępowanie organów, natomiast funkcje intelektualne jako właściwości adaptacyjne maszyny w zmieniającym się środowisku. Manipulator jest to mechanizm cybernetyczny przeznaczony do realizacji niektórych funkcji kończyny górnej człowieka. Należy wyróżnić dwa rodzaje funkcji manipulatora: manipulacyjną, wykonywaną przez chwytak i wysięgnikową, realizowaną przez ramię manipulatora. Robot jest to urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji niektórych funkcji manipulacyjnych i lokomocyjnych człowieka, posiadające określony poziom energetyczny, informacyjny i inteligencji maszynowej. Inteligencja maszynowa to autonomia działania w pewnym środowisku.

20 Mobilne roboty jest to klasa robotów, które mogą się przemieszczać za pomocą kół lub gąsienic. Istnieje w robotyce pewna klasa robotów, którą tworzą maszyny kroczące, czyli urządzenia techniczne przeznaczone do realizacji wybranych funkcji podobnych do funkcji lokomocyjnych zwierząt i owadów posiadających kończyny (kręgowce) lub odnóża (owady).

21 Roboty I generacji to roboty zaprogramowane najczęściej na określoną sekwencję czynności (istnieje możliwość ich przeprogramowania). W robotach tej generacji stosowano przeważnie otwarty układ sterowania tak więc robot charakteryzuje się całkowitym brakiem sprzężenia zwrotnego od stanu manipulowanego przedmiotu. Roboty II generacji to roboty wyposażone w zamknięty układ sterowania oraz czujniki pozwalające dokonywać pomiarów podstawowych parametrów stanu robota i otoczenia. Robot powinien rozpoznawać żądany obiekt nawet wówczas, gdy przemieszcza się z innymi obiektami, następnie rozpoznać ten obiekt bez względu na jego położenie i kształt geometryczny. Takie roboty realizują te wymagania za pomocą zespołu czujników. Roboty III generacji to roboty wyposażone w zamknięty układ sterowania oraz czujniki pozwalające dokonywać złożonych pomiarów parametrów stanu robota i otoczenia. Tak więc roboty te są wyposażone w zdolności rozpoznawania złożonych kształtów i klasyfikacji złożonych sytuacji, a ich system sterowania powinien posiadać zdolności adaptacyjne.