R O BO T YK A DL A M E C H A T R O NI K Ó W. Andrzej Rygałło

Transkrypt

1 R O BO T YK A DL A M E C H A T R O NI K Ó W Andrzej Rygałło Częstochowa 8

2 Spis treści WPROWADZENIE. Określenie robota jako maszyny. 4. Definicja robot. 9.3 Generacje robotów Klasyfikacja robotów Struktura robota Łańcuch kinematyczny robota Układ kinematyczny robota...3 MANIPULATOR. Współczynniki charakteryzujące manipulator.. 8. Nadmiarowość ruchliwości zespołu ruchu regionalnego Rodzaje stref obsługowych 4.4 Wpływ ograniczeń ruchowych na osiągalność Typy konfiguracji obrotowych par kinematycznych i konfiguracje osobliwe Wymiar ruchu i ruch monotoniczny..5.7 Liczba wariantów struktur kinematycznych robotów Klasy ruchu robotów STEROWANIE 3. Manipulator jako obiekt sterowania Kinematyka manipulatora Przykład zrobotyzowanego systemu... 86

3 3 3.4 Proste zadanie kinematyki. Określenie położenia i orientacji robota Odwrotne zadanie kinematyki robota Dynamika robotów Serwomechanizm napędowy Sterowanie manipulatorem Sterowanie chwytakiem.. 3. System sterowania manipulatorem robota 3 3. Sensoryka chwytaka Sterowanie ruchem (planowanie trajektorii) Chwytanie obiektu z użyciem sensoryki dotykowej Stawianie przedmiotu z wykorzystaniem sensoryki siłowej Obrót korbki System wizyjny robota Wykorzystanie systemu wizyjnego w sterowaniu robotem PROGRAMOWANIE 4. Programowanie robotów Języki programowania robotów Przykładowy program montażu Inne języki programowania System programowania robotów.3 Literatura uzupełniająca 8 Spis rysunków i tablic... 9

4 4 WPROWADZENIE. Określenie robota jako maszyny Współczesne techniki wytwarzania stawiają przed nami, na obecnym etapie rozwoju, jeden z najważniejszych problemów problem kompleksowej automatyzacji fizycznej i umysłowej działalności człowieka. Wynika on z konieczności zastąpienia człowieka w warunkach, gdzie jego działalność jest uciążliwa fizycznie, monotonna, niebezpieczna dla jego życia lub po prostu jest niemożliwa. Systemy, za pomocą których planuje się rozwiązać problemy automatyzacji działalności człowieka nazywa się robotami. Termin robot pierwszy raz był użyty przez czeskiego pisarza Karela Čapka w, napisanej przez niego w 9 roku, sztuce teatralnej R.U.R (Rossumu s Universal Robots). Pisarz nazwał tak sztucznego człowieka maszynę wolną od wszelkich uczuć i zdolną do podejmowania samodzielnych decyzji, która miała zastąpić w fabryce robotnika. W zastosowaniu do urządzeń technicznych termin ten upowszechnił się dopiero w drugiej połowie XX wieku, kiedy pojawiły się pierwsze maszyny, przeznaczone do realizacji niektórych funkcji manipulacyjnych i lokomocyjnych człowieka. W tym czasie nastąpiło też rozszerzenie klasycznej definicji maszyny, sformułowanej jeszcze w 875 roku przez F.Reuleaux (89 95), która określała maszynę jako mechanizm lub zespół mechanizmów we wspólnym kadłubie, służący do przetwarzania energii lub wykonywania określonej pracy mechanicznej. Maszyna w sensie tej definicji

5 5 spełnia tylko cześć działań produkcyjnych człowieka, których wyrazem jest ruch i siła (działania energetyczne). Nie obejmuje ona automatyzacji działalności umysłowej, która nie może być nie uwzględniona przy automatyzacji działalności fizycznej. Maszyna, która byłaby zdolna do działań energetycznych i intelektualnych jest maszyną w sensie definicji zaproponowanej w 963 roku przez I.Artobolewskiego, który określił maszynę jako urządzenie techniczne przeznaczone do częściowego lub całkowitego zastępowania funkcji energetycznych, fizjologicznych i intelektualnych człowieka. Funkcje energetyczne rozumiane są tutaj jako zastępowanie pracy fizycznej, funkcje fizjologiczne głównie jako zastępowanie organów (np. kończyny górnej), a funkcje intelektualne jako interakcyjne właściwości przy współdziałaniu maszyny z otoczeniem (np. z operatorem lub innym urządzeniem). W ujęciu tej definicji maszyna jest więc maszyną cybernetyczną. Jeżeli maszyna jest zdolna do pracy bez udziału człowieka to jest ona automatem. Schemat struktury automatu pokazano na rys... Jak widać, automat jest to urządzenie zawierające, odizolowane od środowiska, przetwornik informacji oraz sztuczne receptory i efektory, w którym działanie receptorów, jako efekt wpływu otoczenia, wywołuje działanie efektorów, przy czym odbywa się to bez udziału człowieka. Robot, w sensie cybernetycznym, jest automatem, w którym strefa pomiarowa i strefa obsługowa przynajmniej częściowo się pokrywają, tzn. występuje w nim zewnętrzne sprzężenie zwrotne. Strefy obsługowa i pomiarowa łącznie wyznaczają tzw. otoczenie techniczne robota. Zbiór mechanizmów i urządzeń nie wchodzących w skład robota tworzy środowisko, w którym pracuje robot. Środowisko, sam robot i jego otoczenie techniczne pozostają w interakcji, jak ilustruje to

6 6 rys..., przy czym bezpośrednie oddziaływanie między robotem i środowiskiem jest efektem niedoskonałości izolatorów i jest oddziaływaniem raczej niekorzystnym, w większości Izolatory Strefa obsługowa V O Przetwornik informacji Sygnały sterujące Sygnały informacyjne Efektor Receptor Strefa wpływów robota na otoczenie Strefa wpływów otoczenia na robot Środowisko fizyko chemiczna przestrzeń wokół robota Strefa pomiarowa V P Rys... Struktura systemu oddziaływania automatu z otoczeniem

7 7 Robot Otoczenie techniczne Środowisko Rys... Interakcje w systemie robot otoczenie środowisko przypadków wywołującym zakłócenia w pracy robota lub zanieczyszczenie środowiska. A zatem, tylko otoczenie techniczne jest tą częścią środowiska, która z założeń technicznych jest obiektem oddziaływania robota i źródłem oddziaływania zewnętrznego na robot. Przedstawione wyżej określenie robota cybernetycznego odpowiada, jak zostanie to pokazane poniżej, wyższym generacjom robotów. Większość stosowanych obecnie robotów są to roboty pierwszej generacji, bez zewnętrznego sprzężenia zwrotnego, które w sensie cybernetycznym są automatami. W przypadku tych robotów cechą odróżniającą je od zwykłych automatycznych maszyn jest ich duża funkcjonalność. Cecha ta może być osiągnięta tylko w przypadku, gdy efektor ma możliwość wykonania różnorodnych ruchów

8 8 i przyjęcia wielu pozycji w strefie obsługowej. Obszar pracy dowolnej maszyny automatycznej jest ograniczony rozmiarami jej korpusu. Tylko robot, dzięki szczególnej konstrukcji jego efektorów, może wykonywać pracę w strefie obsługowej, której zasięg znacznie wykracza poza korpus robota. Przekraczanie przez strefę obsługową powierzchni zajmowanej przez korpus jest więc również charakterystyczną cechą robotów.

9 9. Definicja robota Spośród wielu definicji robotów najbardziej zwięzłą jest podana przez A.Moreckiego, która określa robot jako urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji niektórych funkcji manipulacyjnych i lokomocyjnych człowieka, mające określony poziom energetyczny, informacyjny i inteligencji maszynowej (autonomii działania w pewnym środowisku). W całej grupie robotów wyróżnia się roboty przemysłowe. Są to roboty, w których efektory tworzą manipulator, tj. mechanizm imitujący bardziej lub mniej dokładnie funkcje ręki człowieka. Przy tym mechanizmem określa się tutaj urządzenie, w którego działaniu wykorzystuje się procesy fizyczne, będące przedmiotem badań mechaniki jako działu fizyki (ruch ciał i ich wzajemne oddziaływanie w postaci sił). Manipulator jest więc maszyną przeznaczoną do wykonywania operacji związanych ze zmianą położenia przedmiotu, materiału przy jego obróbce lub montażu. Robot przemysłowy jest definiowany jako urządzenie techniczne przeznaczone do automatycznej manipulacji z możliwością wykonywania programowalnych ruchów względem kilku osi, zaopatrzone w chwytaki lub narzędzia i skonstruowane specjalnie do zastosowań

10 w przemyśle. Należy zwrócić uwagę, że definicja ta nie uwzględnia warunku istnienia zewnętrznego sprzężenia zwrotnego. Większość robotów przemysłowych są to roboty pierwszej generacji. Oddzielną grupę stanowią roboty kroczące, będące urządzeniami technicznymi przeznaczonymi do realizacji funkcji lokomocyjnych, zbliżonych do funkcji zwierząt i owadów. Efektorami tych robotów są pedipulatory, czyli jedno, dwu lub trójczłonowe mechanizmy imitujące kończyny lub odnóża.

11 .3 Generacje robotów Obecnie wyróżnia się cztery generacje robotów. Roboty pierwszej generacji są to roboty sterowane w układzie otwartym, działające niezależnie od stanu otaczającego środowiska technicznego. Opis działania robota jest zdeterminowany (sztywny, ściśle określony). Program działania jest wykonywany bezwarunkowo. Roboty tej generacji wymagają uporządkowanego i niezmiennego otoczenia. Mogą one być wyposażone w czujniki śledzenia stanów wewnętrznych (np. w serwomechanizmach) tzw. sprzężenie wewnętrzne. Sterowanie jest więc realizowane względem podstawy robota, a roboty są nazywane robotami programowymi. Roboty drugiej generacji mają czujniki zewnętrzne, tworzące układy sensoryczne (dotykowe, wizyjne, rzadko inne) do obserwowania otoczenia i wytworzenia zewnętrznego sprzężenia zwrotnego w sterowaniu. Zdeterminowany jest opis działania robota w częściowo nieuporządkowanym otoczeniu. Kontrola otoczenia jest realizowana w ściśle określonych punktach programu. Warunkowe wykonanie programu adaptuje działanie robota do stanu

12 otoczenia. Sterowanie jest realizowane względem przedmiotu manipulacji. Roboty drugiej generacji są robotami adaptacyjnymi. Roboty trzeciej generacji są to roboty z niezdeterminowanym opisem ich działania. Obok układów sensorycznych mają one elementy sztucznej inteligencji działającej na podstawie wytworzonego przez czujniki modelu otoczenia. Robot podejmuje decyzje o sposobie wykonania pracy w otoczeniu, o niezbędnych pomiarach stanu otoczenia, o własnym zachowaniu się w tym otoczeniu. Zadania dla robota formułowane są w sposób problemowy, natomiast strategię działania opracowuje sam robot. Sterowanie jest realizowane względem otoczenia, a roboty tej generacji są nazywane robotami inteligentnymi. Roboty czwartej generacji to tzw. roboty tworzące systemy, które przez podejmowanie samodzielnych decyzji o swoim działaniu, przy swobodnym przemieszczaniu się w środowisku roboczym i dokonywaniu w nim niezbędnych i racjonalnych zmian, mają za zadanie integrowanie (w sensie nadzorczo sterującym, transportowym, obsługowym i technologicznym) maszyn i urządzeń technologicznych w systemy wytwarzające zadany produkt. Odbywa się to dzięki procesowi technologicznemu, samodzielnie zaprojektowanemu przez robot i przy użyciu także samodzielnie dobranych materiałów, narzędzi i wyposażenia technologicznego. Roboty czwartej generacji charakteryzują się adaptacyjnością wtórną tzn. mają umiejętności dostosowania otoczenia w sposób korzystny dla swojego dalszego działania. Sterowanie tego typu może być określone jako sterowanie względem rozwiązywanego problemu. Roboty czwartej generacji nazywane są robotami integralnymi.

13 3.4 Klasyfikacja robotów Przedstawione wyżej generacje robotów prezentują klasyfikację robotów z punktu widzenia zawansowania rozwoju i zakresu funkcji realizowanych przez układ sterowania. Klasyfikacja robotów może być dokonana również w zależności od przyjętych innych kryteriów podziału. Przyjmując kryterium podziału według przeznaczenia, możemy wyróżnić następujące grupy zastosowań robotów: do celów szkoleniowych, do badań naukowych, do celów przemysłowych, do celów badawczych. Według kryterium sterowania wyróżniamy roboty: ze stałoprogramowym sterowaniem dwupołożeniowym (PAP ang. pick and place zabierz i umieść), gdzie ruch dla każdej osi ograniczony jest dwoma skrajnymi położeniami,

14 4 ze sterowaniem punktowym (PTP ang. point to point od punktu do punktu), gdzie ruch robota odbywa się po dowolnym torze między zadanymi punktami, ze sterowaniem wielopunktowym (MP ang. multipoint wielopunktowe), gdzie ruch robota odbywa się po torze wyznaczonym przez punkty początkowy, pośrednie i końcowy bez określenia kształtu toru ruchu, ze sterowaniem ciągłym (CP ang. continuous path ciągła droga), gdzie sterowanie zapewnia ruch robota po zadanym torze. Ze względu na rodzaj napędu roboty dzieli się na: pneumatyczne, hydrauliczne, elektryczne, z napędem mieszanym. Ze względu na sposób zainstalowania wyróżniamy roboty: stacjonarne, zintegrowane z urządzeniem technologicznym, z możliwością przemieszczania się po torze jezdnym lub wózku samojezdnym, mobilne. Dla robotów przemysłowych wprowadzono następującą klasyfikację opracowaną przez

15 5 Amerykański Instytut Robotów (Robot Institute of America).. Roboty programowalne z serwomechanizmami napędowymi o sterowaniu ciągłym.. Roboty programowalne z serwomechanizmami napędowymi o sterowaniu punktowym. 3. Roboty programowalne bez serwomechanizmów napędowych ogólnego przeznaczenia. 4. Roboty programowalne bez serwomechanizmów napędowych do obsługi maszyn odlewniczych oraz maszyn do przetwórstwa tworzyw sztucznych. 5. Manipulatory mechaniczne. Według źródeł japońskich klasyfikacja robotów przemysłowych jest następująca. A. Manipulatory z ręcznym sterowaniem. B. Roboty pracujące według sztywnego programu. Kolejność ruchów nie może być w prosty sposób zmieniona i wymaga ingerencji w strukturę logiczną sterownika. C. Roboty pracujące według elastycznego programu. Kolejność ruchów robota można w prosty sposób zmienić dzięki programowalności sterownika. D. Roboty pracujące przez odtworzenie zapisanej informacji (programu pracy). Kolejność ruchów jest określana na etapie uczenia robota. E. Roboty sterowane numerycznie. Robot realizuje ruchy zgodnie z programem numerycznym podobnym do stosowanych w sterowaniu numerycznym obrabiarek. F. Roboty ze sztuczną inteligencją. Robot wyposażony jest w system sensoryczny i charakteryzuje się adaptacyjnością, autonomicznością i samokształceniem.

16 6.5 Struktura robota Schemat strukturalny robota pokazano na rys..3. Przedstawiono na nim strukturę funkcjonalną i konstrukcyjną. Układ sterowania, wydzielony jako całość w strukturze funkcjonalnej, stanowią urządzenia do poboru, przetwarzania i wydawania informacji potrzebnej do realizacji programu działania robota. Konstrukcyjnie ta część struktury robota jest rozdzielona na szafę i pulpit sterowniczy oraz inne urządzenia peryferyjne. Część manipulacyjna wykonuje ruchy i pracę użyteczną. Do części tej przytwierdzone są chwytaki i narzędzia, stanowiące wyposażenie technologiczne robota. W aspekcie funkcjonalnym część tą stanowią układy napędowy i mechaniczny oraz czujniki pomiarowe zamontowane w tych układach. Struktura funkcjonalna Struktura konstrukcyjna Układ sterowania Urządzenia peryferyjne Szafa i pulpit sterowniczy Czujniki pomiarowe Układ zasilania i napędowy Układ mechaniczny Część manipulacyjna Wyposażenie technologiczne Rys..3. Schemat struktury konstrukcyjnej i funkcjonalnej robota

17 7 Do układu mechanicznego robota należą korpusy, prowadnice, łożyska, wzajemnie ze sobą połączone i stanowiące zasadniczy mechanizm szkieletowy robota o określonych możliwościach ruchowych oraz układ mechaniczny przeniesienia ruchu przekładnie. Układ napędowy robota zawiera elementy napędowe, jak silniki i siłowniki oraz elementy bezpośrednio sterujące napędem, jak urządzenia wzmacniające, rozrządcze oraz przetworniki pomiarowe, wchodzące w skład serwomechanizmów napędowych. Do układów napędowych należą również urządzenia zasilania energetycznego, jak zasilacze hydrauliczne lub pneumatyczne. Dla każdego stopnia swobody manipulatora potrzebny jest napęd wraz z układem przekazywania ruchu, umożliwiający zmianę współrzędnych konfiguracyjnych pary kinematycznej danego stopnia swobody. W zależności od sposobu rozmieszczenia tych elementów układu mechanicznego manipulatora wyróżniamy dwa rodzaje rozwiązań, pokazane umownie na rys..4.. Z rozproszonymi układami napędowymi (rys..4a).. Ze skupionymi układami napędowymi (rys..4b). Często też spotyka się rozwiązania mieszane, w których część osi ma napędy skupione, a część rozproszone. Pierwsze z wyróżnionych rozwiązań umożliwia zastosowanie prostszych zespołów przekazywania ruchu, natomiast ogniwa łańcucha obciążone są masami układów napędowych (silników), co często ma istotny wpływ na dynamikę ruchu manipulatora (przyspieszenia i prędkości ruchu). W tym przypadku konstrukcja par kinematycznych jest mniej skomplikowana. Rozwiązanie z rozproszonymi napędami jest typowe dla robotów

18 8 pneumatycznych i hydraulicznych, gdzie napędy o specyficznej konstrukcji, w postaci cylindrów o dużej sztywności własnej, są wykorzystywane jako elementy konstrukcyjne ogniw łańcucha kinematycznego. Drugie rozwiązanie nie obciąża układami napędowymi ogniw manipulatora, ale jest to uzyskane kosztem rozbudowy zespołów przekazywania ruchu, które, w skrajnych przypadkach, rozciągają się na wszystkie ogniwa oraz kosztem rozbudowy par ruchowych. Rozwiązanie ze skupionymi napędami stosowane jest w większości przypadków zastosowania napędów elektrycznych. a) b) Zespół przekazywania ruchu Silnik Rys..4. Rozproszony (a) i skupiony (b) sposób zabudowy napędów manipulatora

19 9.6 Łańcuch kinematyczny robota Z punktu widzenia teorii mechanizmów i maszyn manipulator robota jest zespołem mechanizmów przeznaczonym do wykonania pewnej pracy użytecznej. Mechanizm jest układem połączonych ze sobą ciał, mogących wykonywać określony ruch względem siebie. Ciała te, zazwyczaj sztywne, noszą nazwę ogniw mechanizmu. Dwa ogniwa ruchowo ze sobą połączone tworzą parę kinematyczną, a szeregowy układ połączonych par kinematycznych tworzy łańcuch kinematyczny manipulatora. Jak wiadomo ciało sztywne ma w przestrzeni trójwymiarowej 6 stopni swobody, tj. ma możliwość wykonania sześciu niezależnych ruchów (rys..5). T 3 Z R 3 T R Y T X R Rys..5. Stopnie swobody swobodnego sztywnego ciała

20 Są to trzy obroty i trzy przemieszczenia. Tyle niezależnych ruchów mogłoby wykonać jedno ogniwo względem drugiego, gdyby nie były one ze sobą połączone. Połączenie stałe dwóch ogniw odbiera im całkowicie możliwość ruchu względnego, czyli odbiera sześć stopni swobody. Połączenia ruchowe, zależnie od rodzaju, odbierają od jednego do pięciu stopni swobody. Rozróżnia się zatem pięć klas par kinematycznych, odpowiednio do ilości więzów nałożonych na parę kinematyczną. Wszystkie występujące klasy par kinematycznych zestawiono w tablicy., gdzie stopień ruchu obrotowego oznaczono literą R, a stopień ruchu postępowego literą T. W manipulatorach współczesnych robotów powszechnie (choć nie zawsze) występują pary kinematyczne piątej klasy w postaci par obrotowych i postępowych, w których jedno ogniwo ma możliwość obrotu lub przesuwu w stosunku do drugiego ogniwa, względem jednej osi. Dlatego do określenia pary kinematycznej klasy piątej przyjął się termin oś robota i określenie robot n osiowy. Oś robota oznacza tu oś obrotu dla pary kinematycznej obrotowej lub oś przesuwu dla pary kinematycznej postępowej. Łańcuch kinematyczny ma określoną liczbę stopni swobody wynikającą z liczby ogniw i par kinematycznych różnych klas, występujących w łańcuchu. Dla łańcucha, w którym jedno z ogniw końcowych, zwane ostoją, jest unieruchomione, wzór określający ruchliwość, tj. liczbę stopni swobody łańcucha ma postać: 5 ( n ) r = 6 i p () gdzie: n liczba ogniw, p i liczba par kinematycznych o klasie i. i = i

21 Tablica.. Klasy par kinematycznych Nr klasy Liczba więzów Liczba stopni swobody 5 Rodzaje ruchów pary kinematycznej R obrotowy T postępowy 3RT R3T R T R R T Przykład pary RT RT R3T 3R RT RT 3T T R T R R T T R T R R R R R R R R 4 4 R RT T R T 5 5 R T T T R R

22 Łatwo sprawdzić, że dla łańcucha kinematycznego zbudowanego tylko z par kinematycznych klasy piątej ruchliwość jest równa ilości tych par.

23 3.7 Układ kinematyczny robota Struktura robota opisuje możliwości kinematyczne manipulatora, tj. jego możliwości ruchowe. Ruchy te dla poszczególnych osi uzyskiwane są za pomocą napędów, przekazujących energię kinetyczną członom ruchowym za pomocą zespołów przekazywania ruchu. Napędy są więc źródłami energii, natomiast zespoły przekazywania ruchu są to przekładnie ruchu, niezbędne ze względu na konieczność dostosowania rodzaju i parametrów ruchu elementów wykonawczych do potrzeb danego zespołu manipulatora. Struktura robota charakteryzuje się zatem konkretnym układem kinematycznym, który z kolei jest konkretnym rozwiązaniem konstrukcyjnym. Układ kinematyczny, obok opisu możliwości ruchowych, przedstawia sposób ich uzyskania za pomocą napędu. Rozwiązanie konstrukcyjne jest to schemat mechaniczny, który przedstawia fizyczną budowę manipulatora, czyli jego konstrukcję. Układ kinematyczny robota ma umożliwić nadanie chwytakowi lub narzędziu, a ściślej mówiąc układowi współrzędnych związanemu z chwytakiem, określonego położenia względem układu współrzędnych odniesienia, związanego najczęściej z podstawą robota. Dla robotów mobilnych, dodatkowo, określa się jego położenie w otoczeniu. Wzajemne usytuowanie tych trzech układów współrzędnych prostokątnych pokazano na rys..6. Położenie układów współrzędnych określa się przez opisanie przemieszczenia początków

24 4 układów i obrót ich osi. Na rys.6 pokazano trzy główne układy współrzędnych robota oraz układ współrzędnych X o Y o Z o związany z obiektem manipulacji. W układzie X o Y o Z o opisywana jest geometria obiektu manipulacji, a położenie i orientacja układu określa położenie obiektu manipulacji. Układ prostokątny X w Y w Z w jest związany z podstawą robota. Dla robotów stacjonarnych jest to podstawowy układ odniesienia, w którym opisuje się ruch wszystkich członów manipulatora i położenie obiektu manipulacji. X e C Z e Z w Robot Y e Z o Yo Z X o Obiekt manipulacji Y w O X w O w Y Tor ruchu robota X Rys..6. Zastosowanie współrzędnych do opisu położenia robota

25 5 Układ współrzędnych X e Y e Z e jest układem, który jest przywiązany do centralnego punktu efektora chwytaka C (ang. tool center point TCP). Przebieg przemieszczenia punktu C tworzy tor ruchu chwytaka robota, a przestrzenne usytuowanie układu X e Y e Z e odpowiada jego orientacji. Przy chwytaniu obiektu manipulacji układ chwytaka X e Y e Z e musi być zorientowany w stosunku do układu obiektu manipulacji X o Y o Z o tak, aby spełniony był warunek uchwycenia obiektu. Gdy robot jest mobilny wówczas jego przemieszczanie się jest opisane w globalnym układzie współrzędnych X Y Z. W łańcuchu kinematycznym manipulatora robota wydziela się trzy odcinki, określane jako zespoły ruchu (rys..7): lokalnego fragment łańcucha realizujący działania orientowania i chwytania obiektu (oznaczenie L). Zespół ten nazywany jest kiścią lub strukturą orientowania. regionalnego fragment realizujący podstawowe działanie manipulatora, tj. przemieszczenie kiści do zadanego punktu w przestrzeni roboczej (oznaczenie R). Zespół ten jest nazywany ramieniem lub strukturą pozycjonowania. globalnego fragment realizujący działania lokomocyjne robota (oznaczenie G). Ta część nazywana jest strukturą przemieszczania. Aby organ wykonawczy robota osiągnął dowolny punktu w przestrzeni roboczej potrzebne jest sterowanie trzema osiami ruchu, czyli konieczne są trzy stopnie swobody w zespole ruchu regionalnego. Natomiast, aby chwytak w osiągniętym punkcie mógł być dowolnie ustawiony w stosunku do przedmiotu manipulacji, potrzebne jest sterowanie kolejnymi trzema osiami w zespole ruchu lokalnego. Roboty uniwersalne mają minimum sześć stopni swobody, które rozdzielone są na stopnie swobody ramienia i kiści, przy czym

26 6 Ramię R L Kiść Chwytak G Tor ruchu robota Rys..7. Zespoły ruchu układu kinematycznego robota kiść ma maksymalnie trzy stopnie swobody. Często, w zespole ruchu regionalnego, stosowanie są łańcuchy kinematyczne o większej niż trzy liczbie stopni swobody. Tworzona jest wtedy nadmiarowość ruchowa, która jest korzystna przy niektórych zastosowaniach robota. Problem nadmiarowości zostanie wyjaśniony dokładniej w dalszej części. Wydzielone trzy struktury lokalna, regionalna i globalna wyznaczają osiągalne strefy ruchów: odpowiednio strefa lokalna V L, strefa regionalna V R i strefa globalna V G (rys..8). V L jest to obszar osiągany przez chwytak przy realizacji tylko ruchów lokalnych (ruchów kiści).

27 V L VR (V O ) V G (V O ) V W 7 Przy jednoczesnym ruchu kiści i ramienia wyznaczana jest strefa regionalna V R. Jeżeli jednocześnie realizowane są ruchy wszystkich trzech struktur, to wyznaczana jest strefa ruchów globalnych V G równoważna strefie obsługowej V O. Oczywiście dla robotów stacjonarnych V O V R. W tej interpretacji strefa obsługowa V O jest to miejsce geometryczne punktów członu roboczego robota osiąganych przy pełnym wykorzystaniu zakresów ruchów we wszystkich parach kinematycznych. Dodatkowo jeszcze określa się strefę roboczą V W, w której przemieszczają się ogniwa łańcucha kinematycznego robota, a w której nie mogą znajdować się inne przedmioty ze względu na kolizyjność. Strefa V W nazywana jest też strefą kolizyjną. Rys..8. Osiągalne strefy ruchów robota (V L V R V G V O V W )

28 8 MANIPULATOR. Współczynniki charakteryzujące manipulator Zadania, jakie może wykonywać manipulator, są zależne od jego konstrukcji i ogólnych wskaźników, takich jak np. wymiary strefy obsługowej, udźwig, szybkobieżność, dokładność i powtarzalność. Do oceny konstrukcji zaproponowano szereg współczynników charakteryzujących manipulator. Najprostszym współczynnikiem charakteryzującym poprawność przyjętego rozwiązania struktury jednostki kinematycznej jest współczynnik, określający objętościowy udział strefy obsługowej V O w strefie kolizyjnej V W i obliczany ze wzoru V O w =, V W w () gdzie: V O oraz V W oznaczają odpowiednio objętość strefy obsługowej V O oraz strefy kolizyjnej V W. Dane rozwiązanie jest tym lepsze, im większą część strefy kolizyjnej zajmuje strefa obsługowa, czyli im współczynnik w jest bardziej zbliżony do. Ocena taka jest oceną bardzo przybliżoną i, w związku z tym, wprowadza się szereg innych współczynników, pozwalających dokładniej ocenić jakość struktury manipulatora. Ocena możliwości ruchowych manipulatora może być wykonana przy pomocy współczynników, wyznaczanych na podstawie struktury łańcucha kinematycznego

29 9 manipulatora. Jeden z nich został przedstawiony wcześniej jest to ruchliwość r, określona liczbą stopni swobody łańcucha kinematycznego względem ogniwa, przyjętego za unieruchomione (podstawa robota). Drugim, podobnym współczynnikiem, jest manewrowość m, będąca liczbą stopni swobody łańcucha kinematycznego przy zadanym położeniu chwytaka (tj. przy jego unieruchomieniu). Określa on możliwość obejścia ramieniem robota przeszkód w strefie obsługowej i możliwość wykonania złożonych operacji manipulacyjnych. Manewrowość można obliczyć ze wzoru: 5 ( n ) m = 6 i p (3) i = gdzie, jak poprzednio: n liczba ogniw, p i liczba par kinematycznych o klasie i. Współczynnikiem, który zależy od parametrów geometrycznych łańcucha kinematycznego jest wielkość objętości strefy obsługowej V O. Jest to ocena ilościowa jej własności geometrycznych. Ocena ta jest często nazywana osiągalnością. Największy wpływ na osiągalność mają długości ogniw, ograniczenia ruchowe w parach kinematycznych oraz wymiary konstrukcyjne tych par. Ocena wykonana za pomocą ruchliwości i manewrowości oraz osiągalność jest znacznie przybliżona i ma stosunkowo niewielkie znaczenie użytkowe. Istotniejsze znaczenie poznawcze ma współczynnik serwisu k c. Współczynnik ten charakteryzuje możliwość podejścia chwytaka (końcowego ogniwa) do zadanego punktu strefy obsługowej z różnych kierunków. Określenie współczynnika serwisu, dla każdego punktu strefy obsługowej, daje dokładną informację o możliwościach ruchowych manipulatora. i

30 3 Zbiór możliwych położeń osi chwytaka, przy których jego środek znajduje się w zadanym punkcie, określa kąt przestrzenny ψ c, nazywany kątem serwisu (rys..). Kąt serwisu określony jest wzorem: F ψ c = (4) l k n gdzie: F k jest to pole części sfery o promieniu l n = CK, które jest zbiorem punktów swobodnego końca K manipulatora przy uchwyceniu punktu C. ψ c K n l n n F k C V O Rys... Określenie współczynnika serwisu k c

31 3 Bezwymiarowa wielkość: ψ c k c =, k c (5) 4 π nazywana jest współczynnikiem serwisu w punkcie C lub lokalnym współczynnikiem serwisu. Wartość współczynnika k c może zmieniać się od, na granicy strefy obsługowej (gdzie oś chwytaka może mieć tylko jedno położenie), do wartości równej dla punktów tzw. obszaru % lub pełnego serwisu (w tych punktach oś chwytaka może mieć dowolne położenie orientację w przestrzeni). Obszar % serwisu strefy obsługowej określa się jako strefę manipulacyjną (strefę pełnej manewrowości). W pozostałej części strefy obsługowej orientacja chwytaka jest ograniczona w stopniu określonym współczynnikiem serwisu. Chociaż współczynnik serwisu dobrze opisuje możliwości osiągnięcia danego punktu w strefie obsługowej, to jednak nie można na jego podstawie stwierdzić, czy jest możliwe, w tym punkcie, uchwycenie przedmiotu przy danej orientacji chwytaka. Kierunkowe możliwości charakteryzuje kolejny współczynnik, zwany kierunkowym współczynnikiem serwisu. Przy zadanym położeniu kierunku osi chwytaka w strefie obsługowej V O, można wyróżnić fragment strefy V α, w którym jest możliwe takie ustawienie chwytaka. Bezwymiarowa wielkość (rys..): V k = α α V, k α (6) O nazywana jest kierunkowym współczynnikiem serwisu. We wzorze tym V O i V α są to objętości stref V O i V α.

32 3 Współczynnikiem jakości serwisu przyjęto nazywać średnią wartość współczynnika serwisu w przestrzeni obsługowej V O lub średnią wartość współczynnika kierunkowego dla wszystkich możliwych kierunków orientacji: = k dv S c = α α V π k d O 4 Interpretując statystycznie, współczynnik jakości serwisu można uznać za prawdopodobieństwo tego, że w przypadkowo wybranym punkcie strefy obsługowej efektor manipulatora może być orientowany w dowolny sposób. (7) V O β α V α V β Rys... Określenie kierunkowego współczynnika serwisu k α

33 33 Taka statystyczna interpretacja pozwala powiązać właściwości funkcjonalne manipulatora, wyrażane serwisem, z prawdopodobieństwem wykonania zadań roboczych. Współczynniki serwisu dają możliwość jakościowej oceny właściwości kinematycznych manipulatora oraz pozwalają na optymalizację kinematyki poprzez taki dobór długości ogniw, położenia osi i rodzaju par kinematycznych, aby uzyskać maksymalne wartości współczynników. Jednocześnie istnieje ścisła zależność między objętością strefy obsługowej a łączną długością członów manipulatora. Stosunek objętości V O obsługowej do objętości sześcianu o boku równym łącznej długości członów nazywany współczynnikiem objętości k V i jest określony wzorem: V O k = n ( L i + p i ) i = V O = 3 L V = 3 const L strefy gdzie: L i długość i tego ogniwa, p i konstrukcyjne odsunięcie i tego ogniwa w parze obrotowej lub przedział ruchu w i tej parze postępowej manipulatora o n członach. Współczynnik k V jest miarą efektywności wykorzystania długości członów ze względu na osiąganą strefę obsługową. Dla określonego manipulatora (tzn. dla danych wartości wymiarów geometrycznych i przedziałów ruchów w parach kinematycznych) otrzymuje się stałą wartość współczynnika objętości. Maksymalna wartość współczynnika k V jest określona w przypadku, gdy dla łącznej długości członów manipulatora równej objętość strefy obsługowej przyjmie się kulę o promieniu L. L (8) jest za maksymalną