1.0. Systemowa interpretacja różnych form pracy ludzkiej. stan przedmiotu sprzężenie zwrotne współrzędnych stanu

Transkrypt

1 1.0. Systemowa interpretacja różnych form pracy ludzkiej. cechy: *stan przedmiotu zmienne charakteryzujące przedmiot *sprzężenie zwrotne informacja z wyjścia na wejście *współrzędnych stanu wektor stanu przedmiotu Praca bez narzędzi: -człowiek oddziałuje na przedmioty ze swojego otoczenia bezpośrednio swoimi rękoma - zmysły i obserwacja przedmiotu to sprzężenie zwrotne -doświadczenie na który składa się model przedmiotu Praca z narzędziami prostymi--narzędzia napędzanie pracą mięsni ludzkich & model narzędzia, będący całokształtem dotychczasowych doświadczeń ze stosowania tego narzędzia, umożliwiających predykcję skutków różnego użycia narzędzia. Model ten, podobnie jak model przedmiotu, jest modelem nieprecyzyjnym, rozmytym; & stan narzędzia, będący zbiorem wszystkich tych zmiennych charakteryzujących narzędzie, których znajomość jest potrzebna do osiągnięcia wytyczonego celu. Współrzędnymi stanu narzędzia może być np. prędkość młota w chwili uderzenia, kąt uderzenia, punkt uderzenia; & sprzężenie zwrotne od stanu narzędzia, informujące człowieka za pośrednictwem jego zmysłów o wszystkich istotnych, do realizacji celu, współrzędnych stanu narzędzia Praca z narzędziami złożonymi - narzędzia z zewnętrznym źródłem energii, struktury i czujniki pomiarowe - modele przedmiotu zostały sformalizowane (skutki oddziaływania na przedmiot zostały opracowane relacjami matematycznymi) - znormalizowany cel działania (krok po kroku)

2 Sterowaniem systemu nazywa się takie oddziaływanie na wielkości wyjściowe sterujące tego systemu, które doprowadzi do realizacji celu postawionego przed tym systemem. System sterowany nazywa się obiektem sterowania Automatyzacja obróbki przedmiotu -sterowanie narzędzia złożonego jest realizowane przez układ sterujący, do którego człowiek wprowadza program obróbki przedmiotu. Program ten jest zapisem algorytmu sterowania w określonym języku programowania Praca z urządzeniami złożonymi obsługiwanymi przez roboty Praca z narzędziami złożonymi, obsługiwanymi przez manipulatory śledzące Manipulatorami śledzącymi nazywa się samodzielne, sterowane przez człowieka narzędzia wzmacniające przesunięcia i siły jego rąk w stopniu umożliwiającym realizację czynności manipulacyjnych wymagających bardzo dużych sił lub wykonywanych w środowisku zagrażającym jego zdrowiu lub życiu. W odróżnieniu od manipulatorów będących elementami wykonawczymi robotów i sterowanych zgodnie z programem przechowywanym w układzie sterowania robota manipulatory śledzące nadążają za ruchami sterującego nimi człowieka. Dzięki temu sprzężenia zwrotne od stanu przedmiotu i stanu narzędzia mogą być realizowane przy wykorzystaniu zdolności spostrzegania i oceny sytuacji sterującego nimi człowieka; przy dużym oddaleniu manipulatora od pulpitu sterowniczego lub umiejscowieniu manipulatora w miejscu niebezpiecznym spostrzeganie i ocena sytuacji odbywa się za pośrednictwem monitorów telewizyjnych.

3 1.1. Przyczyny rozwoju robotów Czynniki techniczne postęp w konstrukcji elementów automatyki (silniki wykonawcze o korzystnym stosunku mocy do masy, wzmacniacze o małym gabarycie, opanowanie metod masowej i taniej produkcji minikomputerów i mikrokomputerów) sprawił, że produkcja robotów stała się technicznie możliwa i ekonomicznie opłacalna; wzrost zapotrzebowania w różnych gałęziach nowoczesnego przemysłu na manipulowanie przedmiotów niemożliwych do manipulowania ręcznego ze względu na zbyt wysoką temperaturę, dużą masę, niedogodne kształty, promieniotwórczość, obecność szkodliwych wyziewów, pyłów, agresywnych cieczy i por, atmosferę pozbawioną tlenu; dążenie do zapewnienia wysokiego i jednolitego standardu wyrobów wynikające ze zwiększającej się konkurencji na rynkach zbytu Czynniki ekonomiczne instalowanie kapitałochłonnych maszyn (np. obrabiarek sterowanych numerycznie) zmusza do maksymalnego ich wykorzystywania przy pracy ciągłej przez całą dobę, co jest praktycznie możliwe tylko przy obsłudze tych maszyn przez roboty; wzrost kosztów pracy ludzkiej sprawiający, że robot dla wielu prac staje się operatorem tańszym niż człowiek; w gałęziach przemysłu charakteryzujących się częstą zmianą profilu małoseryjnej produkcji stosowanie wysoko wyspecjalizowanych automatów produkcyjnych jest nieopłacalne. Roboty dzięki możliwości ich programowania mogą być bardzo szybko dostosowane do automatyzacji odmiennej produkcji przy wykorzystaniu maszyn uniwersalnych i stąd stwarzają one możliwość automatyzacji i związanego z nią wzrostu efektywności ekonomicznej tych gałęzi przemysłu; roboty znajdują również zastosowanie przy produkcji masowej (wielkoseryjnej) wypierając z niej szereg kosztownych wąsko wyspecjalizowanych automatów produkcyjnych, jak np. automaty do malowania, spawania, szlifowania. Jest to spowodowane tym, że czas moralnego zużywania się produktów wielkoseryjnych staje się coraz krótszy, co częstokroć czyni nieopłacalnym projektowanie i konstruowanie automatów nawet do produkcji wielkoseryjnej; zintegrowane systemy transportu wewnątrzzakładowego lub oddziałowego są z reguły przystosowane do ściśle określonego profilu produkcji, a zmiana ich sposobu funkcjonowania jest niezwykle kosztowna. Zastosowanie robotów na stykach pomiędzy poszczególnymi układami transportowymi umożliwia znaczne zwiększenie ich elastyczności, tzn. szybką i tanią zmianę sposobu ich funkcjonowania przez zmiany programów robotów Czynniki społeczne

4 stale malejąca liczba kandydatów do wykonywania prac nudnych, monotonnych i powtarzających się, nie dających satysfakcji emocjonalnej, lecz niestety niemożliwych do wyeliminowania w bardzo dużej liczbie procesów przemysłowych. Brak chętnych do wykonywania tego typu prac jest spowodowany: a) wzrostem przeciętnego poziomu wykształcenia społeczeństw przemysłowych po II wojnie światowej; b) malejącą stopą przyrostu naturalnego obserwowaną w wielu społeczeństwach najbardziej uprzemysłowionych i powodującą malenie grup ludności w wieku produkcyjnym. O tym, jak bardzo istotnym czynnikiem rozwoju robotów jest brak siły roboczej, świadczy przykład dwóch państw: RFN i Japonii. RFN pomimo dużego potencjału przemysłowego do niedawna praktycznie robotów nie produkowała, gdyż braki własnej siły roboczej do prac nisko kwalifikowanych wyrównywała importem tej siły roboczej z innych krajów. Japonia natomiast, dla której import siły roboczej z różnych powodów był niemożliwy, stała się w minionym okresie największym producentem i użytkownikiem robotów na świecie; powszechne tendencje zwiększenia bezpieczeństwa pracy. Tak np. ustawodawstwo pracy wielu państw, zabraniające ręcznego manipulowania pod młotami pras, stało się poważnym bodźcem rozwoju produkcji robotów Etapy rozwoju - generacje robotów przemysłowych Ze względu na sposób programowania i możliwości komunikowania się robota ze środowiskiem zewnętrznym (otoczeniem) można podzielić roboty na trzy generacje (tablica 2): I - roboty nauczane, II - roboty uczące się, III - roboty inteligentne. Robotami I generacji nazwano urządzenia wyposażone w pamięć, do której są wprowadzone rozkazy, a następnie - już bez ingerencji operatora zdolne do wykonania czynności zaprogramowanych. Roboty tej generacji nie są zdolne do samodzielnego zbierania informacji o zewnętrznym środowisku pracy. Roboty pierwszej generacji stanowią więc większość współczesnych robotów przemysłowych. Mają one ograniczone właściwości funkcyjne i tylko sporadycznie są wyposażone w czujniki do zbierania informacji z otaczającego środowiska. Należą do nich programowane manipulatory lub roboty przemysłowe niższego rzędu, przeznaczone do podawania i odbierania obiektów z maszyn wytwórczych. Mają one niekiedy duży udźwig i wysoką dokładność pozycjonowania, a także możliwości sterowania drogą i prędkością przesuwu. Roboty l generacji charakteryzują się: całkowitym brakiem sprzężeń zwrotnych od stanu manipulowanego przedmiotu; manipulowanie jest więc sterowane w torze otwartym, koniecznością precyzyjnego zaprogramowania ruchów ramion w stosunku do określonego układu współrzędnych, koniecznością ustabilizowania współrzędnych stanu początkowego manipulowanego przedmiotu. Zależnie od sposobu programowania i sterowania prac robotów generacji 1 można wyróżnić następujące klasy robotów: 1) Roboty klasy 1, programowane metodą krokową, z sekwencyjnym sterowaniem położenia ramion(programator sekwencyjny)

5 2) Roboty klasy 2, programowane metodą krokową, z analogową nadążną regulacją położenia ramion(potencjometr wartości zadanej położenia). 3) Roboty klasy 3, programowane metodą uczenia, z cyfrową regulacją nadążną położenia ramion(programowanie metodą uczenia). Roboty generacji 1,5 Istotnymi cechami tych robotów jest to, że: ruchy wykonywane przez ich manipulatory nie są całkowicie zdeterminowane na etapie programowania tych robotów, lecz zależą również od wartości niektórych współrzędnych stanu manipulowanego obiektu; wymienione współrzędne stanu są mierzone przez proste przetworniki sił i momentów lub przetworniki położenia o charakterze optycznym lub dotykowym; wyznaczanie potrzebnych współrzędnych stanu obiektu jest realizowane prostymi środkami, bez uciekania się do złożonych algorytmów rozpoznawania obrazów i analizy sytuacji. Roboty II generacji Istotą robotów generacji 2 jest ograniczona możliwość rozróżniania kształtów i położeń dzięki zastosowaniu złożonych systemów rozpoznających (składających się z kamer telewizyjnych i/lub wielopunktowych przetworników dotykowych w chwytaku manipulatora) sprzęgniętych z komputerem o stosunkowo dużej mocy obliczeniowej, służącym do analizy i interpretacji obrazu optycznego i/lub dotykowego. Pod ograniczoną możliwością rozróżniania rozumie się możliwość rozróżniania tylko bardzo nielicznych klas kształtów i położeń. Roboty III generacji będą charakteryzować się więc pewnymi intelektualnymi możliwościami aktualizowania programu pracy w zmieniających się warunkach. Wyposażenie robotów w analizatory wzroku, słuchu i czucia umożliwi rozpoznawanie przedmiotów w przestrzeni, która została zapamiętana w pamięci robota. Niederliński tak charakteryzuje dalsze generacje robotów: Roboty generacji 2,5 i III są wyposażone w zdolności rozpoznania złożonych kształtów i klasyfikacji złożonych sytuacji, a ich system sterowania ma za zadanie między innymi wyposażenie ich w umiejętność radzenia sobie w sytuacjach zawierających elementy nieokreśloności i nowości. Jest to możliwe (na razie w bardzo ograniczonym zakresie), dzięki dużemu zwiększeniu mocy obliczeniowej sterujących je komputerów w porównaniu z robotami generacji II, mimo bardzo podobnego wyposażenia w kamery telewizyjne i przetworniki dotykowe" Definicje podstawowe Do dalszych rozważań przyjęto dwa podstawowe określenia, a mianowicie: Manipulator - część mechaniczna, czyli maszyna przeznaczona do realizacji niektórych funkcji kończyn górnych człowieka. Robot - urządzenie przeznaczone do realizacji niektórych czynności manipulacyjnych i lokomocyjnych człowieka, mające pewien określony poziom inteligencji maszynowej.

6 Podstawowym pojęciem w robotyce jest robot, określany również w literaturze jako maszyna manipulacyjna z programowanym ruchem. W literaturze technicznej istnieje wiele definicji określających robota przemysłowego. W każdej w różnym stopniu wyszczególniono cechy charakteryzujące te urządzenia. Zaliczyć do nich można: możliwość wykonywania głównych lub pomocniczych czynności w zależności od procesu technologicznego (np. zgrzewanie lub manipulacja przedmiotem), co wymaga kilku niezależnych stopni swobody (np. co najmniej dwóch), programowalność, tj. możliwość odtwarzania nauczonych w procesie uczenia ruchów oraz zmiany programu w zależności od potrzeb Klasyfikacja robotów przemysłowych. Jak już stwierdzono, nauka o robotach nie jest jeszcze w pełni sformalizowana i jako nauka interdyscyplinarna, związana z mechaniką, sterowaniem, inteligencją maszynową i zagadnieniami społecznymi, jest szczególnie trudna do zdefiniowania. Stąd też spotyka się w literaturze różne ujęcia problemu klasyfikacji robotów. Klasyfikację robotów przemysłowych można prowadzić na podstawie różnych, podanych dalej wyróżników. Roboty przemysłowe można klasyfikować, biorąc pod uwagę zasadnicze cechy budowy, rodzaj sterowania lub inne kryteria podziału, np. dokładność pozycjonowania, mobilność Klasyfikacja robotów ze względu na budowę jednostki kinematycznej Ze względu na sposób budowy jednostki kinematycznej maszyn manipulacyjnych dzieli się je na: monolityczne, modułowe i pseudoodułowe. -monolityczne o stałej strukturze kinematycznej(ew. Uzupełnienie chwytakiem). -modułowe umożliwiają wykonanie mechanizmu o zaprojektowanej odpowiednio do potrzeb strukturze kinematycznej -pseudomodułowe o stałej strukturze kinematycznej z możliwościa wymiany niektórych zepsołow ruchowych Klasyfikacja robotów ze względu na strukturę kinematyczną Stacjonarne: O strukturze szeregowej(otwarty lancuch kinematyczny): -kartezjański, cylindryczny, SCARA, PUMA, sferyczny, przegubowy,wielokorbowy O strukturze równoległej(zamknięty łańcuch kinematyczny): -hexapod(o różnej konfiguracji ruchów translacyjnych i rotacyjnych -tripod(o różnej konfiguracji przegubów na platformach ruchomej i nieruchomej) Mobilne: - poruszający się po stałym torze - autonomiczny(jeżdzący w przód, przód i tył lub w każdą stronę) Klasyfikacja robotów ze względu na sterowanie: 1) Robot sekwencyjny- wyposażony w sekwencyjny(wykonujący kolejno zaprogramowane ruchy i czynności) układ sterowania. 2) Robot realizujący zadane trajektorie - realizuje ustaloną procedurę sterowanych ruchów według instrukcji programowych specyfikujących żądane pozycje oraz żądaną prędkość ruchu. 3) Robot adaptacyjny. Jest to robot mający sensoryczny lub adaptacyjny bądź uczący się układ sterowania. Typowym przykładem jest tutaj robot wyposażony w czujniki wizyjne, przez co jest możliwa korekta ruchów podczas pobierania elementów, montażu lub spawania łukowego. 4) Teleoperator. Jest to robot ze sterowaniem zdalnym, realizowanym przez operatora lub komputer. Jego funkcje są związane z przenoszeniem na odległość funkcji motorycznych i sensorycznych operatora. Wyłącza się z tej klasy manipulatory o połączeniach mechanicznych Ze względu na sposób programowania i możliwości komunikowania się robota ze środowiskiem zewnętrznym: I - roboty nauczane,

7 II roboty uczące się, III - roboty inteligentne Klasyfikacja robotów ze względu na liczbę stopni swobody i rodzaj napędu: Klasyfikacja robotów ze względu na inne kryteria Często spotyka się również inne klasyfikacje robotów w zależności od innych kryteriów podziału. Według kryterium przeznaczenia można wyróżnić roboty do celów: - przemysłowych, naukowych i szkoleniowych, badawczych pod wodą, w przestrzeni kosmicznej, medycznych, specjalnych i inspekcyjnych, np. do walki z terrorystami, do innych zadań Wstęp do teorii maszyn i mechanizmów. Dokument 2.4. z materiałów. 2. Podstawowe zespoły i układy robotów przemysłowych. Obecnie produkowane typy przemysłowych robotów nie są zbudowane wg jednego schematu konstrukcyjnego. W zależności od zastosowań robotów, zakresu parametrów technicznych oraz w dużej mierze od specyfiki poszczególnych wytwórców istnieje duża różnorodność schematów kinematycznych i stosowanych elementów konstrukcyjnych. Będą one omówione w dalszej części wykładu. Spośród kilkuset obecnie produkowanych typów robotów przemysłowych można jednakże wyodrębnić grupy typowych rozwiązań, charakteryzujących się podobnymi cechami konstrukcyjnymi oraz zbliżonymi parametrami technicznymi. Przyczyn jest kilka, główną jest niewątpliwie szybko postępująca specjalizacja konstrukcji maszyn manipulacyjnych pod względem wybranych zastosowań, wykazująca wyraźne analogie do specjalizacji wyrobów w innych dziedzinach produkcji maszynowej, zwłaszcza obrabiarkowej, gdzie osiągnęła już bardzo wysoki stopień i to nie tylko rozwiązań, ale także rozwoju produkcji. Na obecnym etapie rozwoju techniki produkcyjnej występuje podobieństwo wymagań dotyczących środka automatyzacji wprowadzanego do tych samych procesów technologicznych, a zwłaszcza podobieństwo: - udźwigu, - ruchliwości i struktury kinematycznej, - zakresu i sposobu realizacji ruchu, w tym żądanych prędkości i dopuszczalnych przyspieszeń, - potrzeb programowalności i sposobu programowania, - współpracy maszyny z operatorem i środowiskiem produkcyjnym, szczególnie z urządzeniami technologicznymi procesu. Równie ważne jak techniczne są komercyjne przyczyny wyodrębnienia się grup podobnych rozwiązań maszyn manipulacyjnych. Należy tu wymienić: - wykorzystywanie przez część producentów rozwiązań licencyjnych, - kooperacje między poszczególnymi firmami zarówno w zakresie produkcji kompletnych maszyn, jak i ich podzespołów, - wykorzystanie zapożyczonych, ale już sprawdzonych w praktyce, idei konstrukcyjnych w

8 celu przyspieszenia rozpoczęcia produkcji własnych maszyn, - chęć,,uszczknięcia" rynku użytkowników maszyn zdobytego przez produkty innych firm, przez podobne lub identyczne konstrukcje. Robot składa się najczęściej z następujących podstawowych układów, stanowiących odrębne zespoły: - zespół ruchu, jak to wcześniej zdefiniowano, zwany manipulatorem lub jednostką kinematyczną, czyli podstawowy mechanizm robota wraz z dołączonymi napędami, czujnikami i końcówką roboczą (zwaną efektorem), - układ zasilania napędów i końcówki roboczej, - układ sterowania. Układ zasilania, stanowiący obecnie najczęściej osobne urządzenie wykonane w postaci wolno stojącej szafy, zawiera w zależności od rodzaju napędów robota: - w przypadku napędów hydraulicznych - zasilacz hydrauliczny (zbiornik, pompę, filtry i często układ chłodzenia i grzania oleju) oraz niezbędny osprzęt hydrauliczny, - w przypadku napędu elektrycznego - tyrystorowe lub tranzystorowe układy zasilania silników lub układy prostownikowe oraz przemienniki częstotliwości (falowniki), a także niezbędne układy przekaźnikowe. Układ sterowania robota - szafa sterownicza zawiera zwykle: - główny pulpit sterowniczy z przyciskami służącymi do uruchamiania robota i ewentualnie ręcznego sterowania, - przenośny sterownik ręczny połączony z szafą długim kablem, służący do programowania robota i doprowadzania do kolejnych punktów pracy, - jednostkę sterująco-logiczną (komputer), zawierającą pamięć operacyjną programów pracy robota i współpracującą przez układy wejścia-wyjścia (interfejsy) z: - serwonapędami mechanizmu ruchu, - układami pomiarowymi przemieszczeń, - czujnikami położeń dwustanowych urządzeń robota (chwytaki, narzędzia), - czujnikami stanu pracy maszyn i urządzeń współpracujących z robotem. Ze względu na bezpieczeństwo obsługi i wygodę napraw szafy układu zasilania i sterowania są odsunięte od robota i znajdują się poza przestrzenią jego działania Roboty monolityczne o szeregowej strukturze kinematycznej Roboty o strukturze kinematycznej przegubowej. Roboty o strukturze kinematycznej przegubowej nazywane również robotami przegubowymi lub manipulatorami obrotowymi, lub antropomorficznymi, mają wszystkie obrotowe osie zespołów ruchu regionalnego. Roboty przegubowe z obrotowymi osiami przemieszczeń są na ogół wykonywane jako wolno stojące, lżejsze konstrukcyjnie, o mniejszym udźwigu Roboty o strukturze kinematycznej sferycznej Jest to konfiguracja o biegunowym układzie osi współrzędnych oraz sferycznych przestrzeniach ruchu Roboty o strukturze kinematycznej cylindrycznej Jak sugeruje nazwa, zmienne przegubowe są zarazem współrzędnymi cylindrycznymi końcówki roboczej względem podstawy. Konfiguracja cylindryczna ma walcowy układ osi współrzędnych oraz cylindryczne przestrzenie ruchu Roboty o strukturze kinematycznej SCARA Robot o strukturze kinematycznej SCARA - rys. 8, zaprojektowano z myślą o zadaniach montażowych. Robot o konfiguracji SCARA ma trzy osie równoległe, dwie o ruchu obrotowym osie 1 i 2, a jedną o postępowym 3.

9 Roboty o strukturze kinematycznej PUMA Robot PUMA jest specjalnie przeznaczony do realizacji zadań montażowych. Jest to robot o sześciu osiach obrotu i udźwigu zaledwie l kg, ale jest robotem bardzo szybkim. Powtarzalność pozycjonowania wynosi ±0,05 mm Roboty o strukturze kinematycznej kartezjańskiej Roboty o strukturze kinematycznej kartezjańskiej mają prostokątny układ osi współrzędnych i liniowe zespoły ruchu. Nazywane są także robotami bramowymi lub portalowymi. Wśród robotów można wyróżnić: - roboty bramowe liniowe - roboty bramowe powierzchniowe o prostopadłościennej przestrzeni ruchu Roboty bramowe o strukturze kinematycznej kartezjańskiej są stosowane do wykonywania następujących zadań: - pakowania i paletyzacji, - obsługi maszyn technologicznych Roboty wielokorbowe Istotą budowy robotów - manipulatorów wielokorbowych jest zastosowanie mechanizmu z równoległowodem ukośnym. 2.2.Roboty i manipulatory o strukturach równoległych. Roboty o strukturach równoległych definiuje się jako roboty złożone z. dwóch tzw. platform połączonych więcej niż jednym łańcuchem kinematycznym. Taki sposób budowy ma istotne zalety w stosunku do konstrukcji konwencjonalnych. Oś napędowa nie dźwiga innych osi napędowych. Dzięki małej masie własnej członów ruchomych korzystniejsze są warunki do uzyskania dużych przyspieszeń. Siła wychodząca z miejsca działania efektora nie jest przenoszona przez długi, szeregowy łańcuch wielu elementów, lecz przez kilka równolegle działających ramion, z czego wynika duża sztywność struktury układu. Powyższe zalety można ująć w punktach: - możliwość realizacji ruchu w przestrzeni o 6 stopniach swobody, - korzystny stosunek masy do objętości, -duże prędkości i przyspieszenia osiągane przez platformę roboczą, - duża sztywność i wynikająca stąd wysoka dokładność pozycjonowania, - mała masa części ruchomych, - wysoka częstotliwość drgań własnych, - wszystkie napędy są identyczne (elementy powtarzalne), a silniki są umieszczone na nieruchomej podstawie. Przystosowanie tych struktur do przemysłu nie jest łatwe. Wiąże się to z ich wadami, którymi są: - ograniczona przestrzeń robocza, często dużo mniejsza niż gabaryty robota, - bezpośrednie parametry geometryczno-kinematyczne są trudne do wyznaczenia, - wysokie wymagania w stosunku do układu sterowania, ponieważ są prowadzone transformacje współrzędnych dla wszystkich sześciu osi, - występowanie punktów osobliwych w przestrzeni robota, - możliwość kolizji między podporami a efektorem, - wysokie sprzężenie między ruchomymi łańcuchami kinematycznymi, - duże cieplne długości oddziaływania. Według danych literaturowych maszyny na bazie hexapodów mogą mieć następujące zastosowania: - w obróbce wiórowej: przecinanie materiału i frezowanie (obróbka form, obróbka łopatek turbin itd.), - w szlifowaniu: szlifowanie narzędzi, dokładna obróbka materiałów ceramicznych, - w montażu: precyzyjny montaż, precyzyjne manipulowanie lekkimi przedmiotami, - w specyficznych zastosowaniach: cięcie i spawanie laserem, cięcie strugą wody, cięcie plazmowe, wytwarzanie protez, wycinanie w drewnie, cięcie kryształów, wytwarzanie wyrobów jubilerskich, polerowanie, stępianie ostrych krawędzi,

10 - w obrabiarkach dużej wielkości (np. o konstrukcji bramowej); do wykonywania dużych narzędzi np. form i matryc, - w nanotechnologii do manipulowania bardzo małymi obiektami Manipulatory równoległe o trzech stopniach swobody Płaskie manipulatory równoległe Płaski manipulator równoległy zawiera trzy napędzane kończyny o sterowanej zmiennej długości między odpowiednimi przegubami przy platformie i podstawie, co umożliwia osiągnięcie żądanej pozycji i orientacji platformy w granicach przestrzeni roboczej. Rozróżnia się trzy typy płaskich manipulatorów równoległych o trzech stopniach swobody: - manipulator 3(RRR) - płaski ruch platformy (przesunięcie i obrót) uzyskuje się przez zmianę długości siłowników kończyn manipulatora (rys. a), - manipulator 3(RPR) - płaski ruch (przesunięcie i obrót) platformy jest określony przez zmiany kątów konfiguracyjnych kończyn manipulatora zależnie od czasu (rys. b), - manipulator 3(PRR) piaski ruch platformy (przesunięcie i obrót) uzyskuje się przez przesunięcie punktu bazowego wzdłuż boków podstawy (rys. c) Sferyczne manipulatory równoległe Pierwsze sferyczne manipulatory równoległe zostały zaprojektowane do celów wojskowych. Ich zadaniem było orientowanie w przestrzeni anten radarowych i satelitarnych: mogą być też stosowane do orientowania teleskopów, baterii słonecznych oraz w układach zawieszeń pojazdów. Sferyczne manipulatory równoległe charakteryzują się trzema rotacyjnymi stopniami swobody platformy roboczej. Zawierają one trzy łańcuchy kinematyczne (RRR) lub (SPK), łączące człon roboczy z podstawą, przy czym każdy z tych łańcuchów zastępuje jedno napędzane połączenie obrotowe lub przesuwne. Istnieją dwa rozwiązania sferycznych manipulatorów równoległych różniących się rozmieszczeniem siłowników : - siłowniki są rozmieszczone na wierzchołkach podstawy. - siłowniki są umiejscowione w jednej płaszczyźnie blisko siebie Przestrzenne manipulatory równoległe o większej liczbie stopni swobody Platforma Stewarta i Stewarta-Gougha Platforma Stewarta ma sześć kończyn, połączonych z podstawą i platformą za pomocą przegubów kulistych (sferycznych) lub krzyżakowych. Przez sterowanie zmianami długości wszystkich sześciu kończyn można zapewnić platformie odpowiednią liczbę stopni swobody Manipulator równoległy o strukturze POLMAN Ogólną koncepcję dźwigniowego mechanizmu przestrzennego wykorzystanego w konstrukcji manipulatora POLMAN pokazano na rys. 37. Konstrukcja manipulatora ma kształt dźwigniowego mechanizmu przestrzennego o stałych długościach elementów ruchomych i sześciu zmiennych współrzędnych: liniowych l1, l2 i l3 i kątowych φ1, φ2 i φ3, zapewniających realizację przemieszczeń w trzech osiach i zmianę kątów orientacji wokół tych osi elementu wyjściowego z chwytakiem Manipulator równoległy typu DELTA Manipulator o strukturze 3(RRR).Umożliwia on przemieszczanie chwytaka do zadanej pozycji w trójwymiarowej przestrzeni, określonej przez trzy osie X, Y,Z, przy czym platforma wykonuje ruchy równoległe do płaszczyzny odniesienia, ale nie może obracać się wokół osi prostopadłej do tej płaszczyzny - osi Z.Człon roboczy łączą z podstawą trzy identyczne kończyny składające się z dwóch części: z ramienia obracającego się w płaszczyźnie pionowej, napędzanego przez silnik zamocowany na podstawie i z dwóch przegubów kulistych, łączących ramię z dolnym równoległobokiem przegubowym, który przekazuje ruch platformie.

11 2.3. Roboty mobilne Roboty mobilne można podzielić na: - roboty poruszające się po stałym torze jezdnym, - autonomiczne roboty mobilne poruszające się samodzielnie Roboty poruszające się po stałym torze jezdnym Istotą budowy robotów mobilnych przemieszczających się po stałym torze jezdnym jest połączenie zrobotyzowanej jednostki transportowej (robot transportowy) z odpowiednią zrobotyzowaną jednostką manipulacyjno-wykonawczą (robot manipulacyjny). Tor jezdny stanowi dodatkową oś ruchu, zwiększa strefę manipulacyjną robota, umożliwia obsługę kilku stanowisk roboczych lub montażowych. Mogą nim być szyny, a także suwnica lub brama Roboty suwnicowe i bramowe zaliczają się do mobilnych tylko wówczas, gdy w suwaku jest zamocowany robot manipulacyjny Autonomiczne roboty mobilne Autonomiczne roboty mobilne stosowane w zakładach przemysłowych, określane również terminem wózek AGV (ang. automated guided vehicle), pełnią funkcję elastycznego środka transportowego. Wózki o najprostszych rozwiązaniach mogą poruszać się jedynie po elementach prowadzących (np. namalowanej linii lub linii indukcyjnej). Bardziej zaawansowane wózki AGV umożliwiają opuszczenie linii prowadzącej, samodzielny ruch do pobliskiego celu, a po wykonaniu zadania powrót na trasę przejazdu. Najbardziej nowoczesne wózki AGV, oparte na systemach autonomicznych, są zdolne do w pełni samodzielnej nawigacji. Istotą budowy robotów mobilnych jest połączenie zrobotyzowanej jednostki transportowej (robot transportowy) z odpowiednią zrobotyzowaną jednostką manipulacyjno-wykonawczą (robot manipulacyjny). Autonomiczne roboty mobilne dzieli się obecnie na trzy grupy: - mogące poruszać się wyłącznie do przodu, - jeżdżące w przód i w tył, - jeżdżące wzdłuż i w poprzek w każdą ze stron Konstrukcja mechaniczna manipulatora Pojęcia Maszyna cybernetyczna - sztuczne urządzenie przeznaczone do częściowego lub całkowitego zastępowania funkcji energetycznych, fizjologicznych i Intelektualnych człowieka. Funkcje energetyczne należy tutaj rozumieć jako zastępowanie pracy fizycznej, funkcje fizjologiczne jako zastępowanie organów, np. kończyny górnej lub dolnej, a możliwości intelektualne jako właściwości adaptacyjne przy współdziałaniu maszyny cybernetycznej z otoczeniem. Mechanizm cybernetyczny - część maszyny cybernetycznej zastępującej czynności ruchowe człowieka, np. w zakresie manipulacyjnym lub lokomocyjnym. Manipulator - mechanizm cybernetyczny przeznaczony do realizacji niektórych funkcji kończyny górnej człowieka. Wyróżniamy tutaj dwa rodzaje funkcji: manipulacyjne (manus - ręka) wykonywane przez chwytak i wysięgnikowe realizowane przez ramię manipulatora. Współczesne manipulatory składają się z pojedynczego łańcucha kinematycznego otwartego o 5 do 9 stopniach swobody lub zdwojonego łańcucha, zespołu siłowników (napędu), układu sterowania, czujników i układu zasilania Łańcuch manipulatora -> Siłowniki, napęd, czujniki ->otoczenie ^Komputer ^Zadanie

12 Manipulator antropomorficzny - układ podobny do kończyny człowieka Pedipulator - noga maszyny kroczącej. Pedipulator może być układem jedno-, dwu- lub trójczłonowym. Maszyna krocząca - urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji wybranych funkcji podobnych do funkcji lokomocyjnych zwierząt i owadów posiadających kończyny (kręgowce) lub odnóża (owady) Konstrukcję mechaniczną manipulatora charakteryzują następujące parametry: Liczba stopni swobody manipulatora W = 6n 5n5 4p4 3p3 2p2 p1 gdzie: W liczba stopni swobody łańcucha kinematycznego; n liczba ogniw; p5, p4, p3, p2, p1 liczba par kinematycznych klasy V, IV, III, II, I. Liczbą stopni swobody manipulatora nazywa się minimalną liczbę kątów obrotu i przesunięć liniowych poszczególnych ramion względem siebie, umożliwiającą dla zadanego położenia podstawy robota jednoznaczne określenie położenia ramion manipulatora w przestrzeni schemat kinematyczny manipulatora W schemacie można wyróżnić dwie części: ramię i kiść. Ramię służy do doprowadzenia chwytaka lub narzędzia do określonego punktu przestrzeni. Ruchy wykonywane przez ramię noszą nazwę ruchów regionalnych. Głównym zadaniem kiści jest nadanie chwytakowi lub narzędziu określonego położenia kątowego w danym punkcie przestrzeni. Ruchy kiści noszą nazwę ruchów lokalnych Przestrzeń robocza manipulatora Przestrzenią roboczą właściwą manipulatora nazywa się zbiór punktów, w których może zostać ustawiony środek osi obrotu kiści manipulatora. Przestrzenią roboczą rozszerzoną nazywa się przestrzeń, w której każdy punkt może zostać uchwycony przez chwytak manipulatora. Przestrzeń robocza właściwa zawiera się zawsze w przestrzeni roboczej rozszerzonej. Wyróżniami -przestrzeń roboczą kartezjańską, cylindryczną lub sferyczną (prostokątną), uzyskiwaną przy kartezjańskim, cylindrycznym lub sferycznym układzie współrzędnych ruchów elementarnych Podstawowe zespoły mechaniczne. -Korpusy -Pary kinematyczne obrotowe rozwiązuje się za pomocą łożysk tocznych. Pary postępowe stanowią zespoły prowadnic. -W robotach stosowane są elementy napędowe o ruchu obrotowym - silniki i o ruchu postępowym siłowniki Problem znacznego zmniejszenia prędkości ruchu występuje zazwyczaj przy napędach silnikowych. Do redukcji prędkości i ewentualnie zmiany kierunku obrotu są stosowane konwencjonalne mechanizmy złożone z kół zębatych. Nowym, bardzo efektownym rozwiązaniem, które znalazło zastosowanie m.in. w robotach IRb firmymy ASEA, są przekładnie falowe. Przekładnie falową walcową przedstawiono na rys. 30. Przekładnia składa się z trzech zasadniczych części: - Owalnego generatora fali osadzonego na wale napędzającym; - Pierścienia elastycznego wykonanego w postaci kubka o cienkich ścianach, mających drobne uzębienie zewnętrzne. Pierścień elastyczny jest osadzony na wale napędzanym. Pierścień obejmuje generator fali i przyjmuje jego kształt owalny, przy czym wspiera się na wieńcu tocznym złożonym z kulek, których bieżnię stanowi generator fali; - Pierścienia zewnętrznego o kształcie kołowym, z uzębieniem wewnętrznym. Liczba zębów pierścienia zewnętrznego jest mniejsza od liczby zębów pierścienia elastycznego. Pierścień zewnętrzny jest nieruchomy, związany z korpusem przekładni. Podczas ruchu generatora fali pierścień elastyczny odkształca się wchodząc w zazębienie z kolejnymi miejscami powierzchni pierścienia

13 zewnętrznego - wokół pierścienia wędrują dwie fale zazębień", stąd nazwa przekładni. Przy tym w zazębieniu pozostaje zawsze; tylko ok. 15% zębów. Ze względu na różnicę w liczbie zębów pierścieni, podczas pełnego obrotu pierścień elastyczny przemieszcza się w stosunku do generatora fali o kąt odpowiadający tej różnicy. Przełożenie przekładni jest równe: i=(zpe- Zpz)/Zpz gdzie: Zpe liczba zębów pierścienia elastycznego; Zpz liczba zębów pierścienia zewnętrznego. Przekładnie falowe pozwalają uzyskać znaczne przełożenia (w przekładniach stosowanych w robotach IRb i = 1 : 320), przy małej masie i objętości, mają małe luzy i są odporne na zużycie. Jednak ich technologia wytwarzania jest trudna i wymagają użycia materiałów materiałów wysokiej jakości. Przekładnia z dwurolkowym generatorem fali nazywa się przekładnią dwufalową, przekładnia z trój rolkowym generatorem fali przekładnią trójfalową. Do redukcji prędkości wraz z zamianą ruchu obrotowego na postępowy używane są przekładnie śrubowe, a wśród nich przede wszystkim przekładnie śrubowe toczne 3. Napędy robotów przemysłowych 3.1. Napędy hydrauliczne Krótki czas rozruchu (od kilkudziesięciu milisekund do 1 s) uwidacznia korzyść ze stosowania napędu hydraulicznego. Rozpowszechnienie tych napędów jest spowodowane takimi ich zaletami jak: - łatwość uzyskiwania dużych sił przy małych rozmiarach i ciężarach urządzeń; -łatwość precyzyjnego sterowania położenia elementu wykonawczego; - bardzo dobre właściwości dynamiczne. Małe momenty bezwładności części ruchomych sprawiają, że siłowniki hydrauliczne odznaczają się bardzo dużą prędkością działania; - łatwość uzyskiwania ruchów jednostajnych; - możliwość uzyskania małych prędkości ruchu elementu wykonawczego bez konieczności stosowania przekładni; - mała wrażliwość na zmiany obciążenia i przeciążenia, łatwość zabezpieczenia przed przeciążeniami; - łatwość konserwacji (samoczynne smarowanie) i prostota użytkowania; - duża pewność ruchowa. Do wad napędów hydraulicznych należy: - duży hałas wytwarzany przez pompę; - zanieczyszczenia wywołane ewentualnym wyciekiem oleju. W skład napędów hydraulicznych wchodzą: - elementy wykonawcze (siłowniki) sprzęgnięte bezpośrednio z ramionami manipulatorów; - elementy sterujące: wzmacniacze i przełączniki sterujące strumieniem (natężeniem przepływu) i kierunkiem przepływu cieczy roboczej; - źródło przepływu, którym jest pompa zębata, śrubowa lub łopatkowa; - źródło energii, którym jest silnik elektryczny napędzający pompę; - elementy pomocnicze: filtr cieczy roboczej, zawory zabezpieczające, przewody, zbiorniki cieczy roboczej; - ciecz robocza, którą jest zwykle odpowiedni olej Siłowniki hydrauliczne Siłowniki tłokowe ruchu posuwistego (liniowe) Ten rodzaj siłowników jest zbliżony do pneumatycznego, lecz przy tej samej mocy są one mniejsze oraz lżejsze. Wyróżnia się trzy rodzaje siłowników, a mianowicie: - dwustronnego działania; - różnicowe; - jednostronnego działania.

14 Siłowniki ruchu obrotowego W celu uzyskania ruchu obrotowego o ograniczonym przemieszczeniu kątowym stosuje się dwa rodzaje siłowników hydraulicznych obrotowych: siłowniki hydrauliczne przekształcające ruch postępowo-zwrotny na ruch obrotowy oraz siłowniki hydrauliczne z wirującym tłokiem Silniki hydrauliczne ruchu obrotowego W celu uzyskania nieograniczonego ruchu obrotowego wykorzystuje się różne rodzaje silników hydraulicznych. W większości są to rewersyjne energetyczne urządzenia tłokowe działające również jako pompy. Do podstawowych odmian konstrukcyjnych należą: - osiowy silnik hydrauliczny z pochyloną tarczą; - osiowy silnik hydrauliczny z pochylonym cylindrem; - silnik hydrauliczny z tłokami promieniowymi; - silnik hydrauliczny zębaty Rozdzielniki hydrauliczne Zadaniem rozdzielnika hydraulicznego jest skierowanie strumienia cieczy do określonego miejsca obwodu hydraulicznego (najczęściej do jednej z komór siłownika lub silnika hydraulicznego). Rozdzielniki hydrauliczne z konstrukcyjnego punktu widzenia można podzielić na dwie grupy: suwakowe i gniazdowe Serwozawory hydrauliczne Serwozawory hydrauliczne dzieli się na przepływowe i ciśnieniowe. Serwozawory hydrauliczne przepływowe, zwane także wzmacniaczami hydraulicznymi, służą do wzmocnienia i przetwarzania w sposób ciągły małego sygnału wejściowego na duży sygnał wyjściowy w postaci natężenia przepływu cieczy. Serwozawory hydrauliczne ciśnieniowe zmieniają mały sygnał wejściowy na duży sygnał wyjściowy w postaci ciśnienia przy małym natężeniu przepływu. Serwozawory hydrauliczne ze sterowaniem elektrycznym nazywane są wzmacniaczami elektrohydraulicznymi Dwustopniowe wzmacniacze hydrauliczne. Materiały od prowadzącego W 4m Przełączniki suwakowe W przypadku gdy położenie ramion manipulatora jest sterowane sekwencyjne, a ramiona są napędzane hydraulicznie, zamiast wzmacniaczy suwakowych stosuje się przełączniki suwakowe Napędy pneumatyczne Napęd pneumatyczny wykorzystuje środowisko ściśliwe, na ogół sprężone powietrze. Zaletą tego typu napędu jest łatwość uzyskiwania powietrza do zasilania układu oraz możliwość łączenia układu z atmosferą po zakończeniu cyklu pracy. Niskie ciśnienie w porównaniu z napędem hydraulicznym czyni ten rodzaj napędu bezpiecznym w eksploatacji. Ponadto powietrze nie ma własności lepkich i ma dobre własności dynamiczne. Również niewielka sztywność (wysoka podatność powietrza) korzystnie odróżnia go od cieczy. Podstawowymi zaletami napędu pneumatycznego są: - bardzo duża pewność ruchowa; - większa prostota konstrukcji aniżeli dla napędów hydraulicznych; - niska cena urządzeń w porównaniu z napędem hydraulicznym; - mała masa urządzeń i pomijalna masa czynnika roboczego w porówna niu z napędami hydraulicznymi; - powolne narastanie sił, bardzo istotne np. przy sterowaniu chwytaków. Stąd często przy hydraulicznym lub elektrycznym napędzie ramion manipulatora spotyka się napęd pneumatyczny chwytaka; - duża przeciążalność; - iskrobezpieczeństwo. Do wad napędów pneumatycznych należy: - trudność uzyskiwania ruchów jednostajnych z powodu dużej ściśliwości czynnika roboczego; - duża wrażliwość ruchu na zmiany obciążenia;

15 - gwałtowny rozruch, szczególnie przy małym obciążeniu; - znacznie mniejsze siły i momenty aniżeli dla napędów hydraulicznych. Wynika to z konieczności ograniczania ciśnień roboczych do ok. 0,49...0,69 MPa (ok atn); przy wyższych ciśnieniach wzrastają bowiem nieproporcjonalnie koszty sprężania powietrza; - konieczność zabezpieczania elementów przed korozją; - trudność sterowania położenia elementu wykonawczego Siłowniki pneumatyczne Siłowniki pneumatyczne liniowe Wielopołożeniowe siłowniki pneumatyczne Siłowniki pneumatyczne kątowe 3.3. Napędy elektryczne W pierwszej fazie rozwoju robotów przemysłowych stosowano napędy pneumatyczne i hydrauliczne. Wzrost wymagań w stosunku do robotów drugiej i wyższych generacji spowodował rozwój napędów elektrycznych. Szacuje się obecnie, że 50% robotów ma napęd elektryczny. Napędy elektryczne mają następujące zalety: - niska cena napędu i układu sterowania w porównaniu z napędem hydraulicznym; - prostota układu zasilania; - duża niezawodność; - duża prostota czynności konserwacyjnych; - praca bez hałasu; - małe wymiary układu sterowania i zasilania. Wadami napędu elektrycznego są: - niekorzystny, w porównaniu z napędem hydraulicznym, stosunek mocy do masy urządzenia, szczególnie dla dużych mocy. Stąd też przy manipulatorach o bardzo dużym udźwigu nie stosuje się napędu elektrycznego; - właściwości dynamiczne napędu elektrycznego pomimo dużego postępu w tej dziedzinie, wciąż są gorsze od właściwości dynamicznych napędu hydraulicznego; - wrażliwość na długotrwałe przeciążenia, mogące doprowadzić do spalenia silnika; - duże prędkości kątowe znamionowe wymagające stosowania przekładni redukcyjnych Napędy elektryczne prądu stałego Silnik dyskowy Sterowanie silników prądu stałego Silniki prąciu stałego są sterowane sterownikami tyrystorowymi (w przypadku większych mocy) lub tranzystorowymi (w przypadku mniejszych mocy). Ze względu na konieczność zapewnienia sterownikom bardzo dobrych właściwości dynamicznych stosuje się powszechnie sterowniki z impulsową modulacją napięcia stałego, umożliwiające dokonywanie przełączeń napięcia na zaciskach twornika silnika z częstotliwościami dochodzącymi do 1 khz; zapewnia to sterownikom właściwości dynamiczne porównywalne z właściwościami dynamicznymi silników wykonawczych Układ komutacji sterownika Komutacją nazywa się wyłączenie załączonego tyrystora. Komutacja wymaga przekazania tyrystorowi stosunkowo dużej energii magazynowanej zwykle w specjalnym kondensatorze komutacyjnym Zasilacz regenerujący Zasilaczem regenerującym nazywa się zasilacz prądu stałego mogący również pracować jako inwertor, tzn. oddawać energię do sieci prądu przemiennego w przypadku, gdy napięcie zasilania odbiornika stanie się wyższe niż napięcie wyjściowe zasilacza Silniki krokowe (skokowe) elektryczne Zasada pracy wszystkich silników krokowych opiera się na dyskretnych zmianach pola elektromagnetycznego w szczelinie silnika. Za zmianami położenia osi pola wzbudzającego podąża wirnik, który cyklicznie zajmuje określone położenia w przestrzeni. Liczba tych położeń jest zawsze większa niż dwa na jeden obrót.

16 Wyróżnia się trzy rodzaje krokowych silników elektrycznych: magnetoelektryczne (ze stałymi magnesami), reluktancyjne (ze zmienną reluktancją), hybrydowe (łączą własności pozostałych odmian) Silniki skokowe elektryczno-hydrauliczne Silniki skokowe elektryczno-hydrauliczne są elektryczno-mechanicznohydraulicznymi dyskretnymi przetwornikami binarnych sygnałów elektrycznych na kąt obrotu lub przesunięcie wału siłownika hydraulicznego Liniowe silniki elektryczne Silnik ten składa się z okładek z wypełnieniem epoksydowym, w którym porusza się magnes stały stanowiący biegnik. Biegnik porusza się na łożysku pneumatycznym o grubości mm Silnik elektryczny stanowiący bezpośredni napęd elektryczny 3.4. Mechanizmy przekazywania ruchu stosowane w robotach Mechanizmy przekazywania ruchu służą do transmisji ruchu silnika (silników) do członów otwartego łańcucha kinematycznego manipulatora lub robota zawierającego pary kinematyczne - obrotowe lub postępowe. W niektórych przypadkach, kiedy mamy do czynienia z zamkniętymi łańcuchami, np. mechanizm pantografu, człony poruszają się jednocześnie i mechanizmy przekazywania napędu są lokowane w inny sposób. Należy zdawać sobie sprawę, że przy przekazywaniu ruchu, ze względu na luzy w parach, tarcie, podatność, obciążenia, występują zjawiska dynamiczne (drgania), które wpływają niekorzystnie na pozycjonowanie chwytaka. Stąd rozmieszczenie siłowników oraz różnych przekładni powinno być takie, aby zmniejszyć niekorzystny wpływ zjawisk dynamicznych i statycznych Przekładnie pasowe Ten rodzaj przekładni służy do przekazywania ruchu obrotowego między równoległymi wałami, jak również do zamiany ruchu obrotowego na ruch postępowy i odwrotnie. Wadami takiego mechanizmu przenoszenia ruchu są poślizgi pasa na kole pasowym. Aby wyeliminować taki poślizg, stosuje się w ostatnim okresie napęd za pomocą paska zębatego. Przekładnia pokazana na rys. poniżej znalazła szerokie zastosowanie dzięki cichej pracy i wysokiej sprawności Przekładnie łańcuchowe Przekładnia z paskiem zębatym Przekładnia łańcuchowa i jej zastosowania: a) odmiana rolkowa; b) napęd robota Motoman firmy YASUKAWA Kolejnym mechanizmem przekazywania ruchu jest przekładnia łańcuchowa pokazana na rys. 53 po lewej. Pracuje ona poprawnie przy niewielkich wartościach prędkości, dlatego jest lokowana pomiędzy członami. Na rysunku po prawej pokazano przykład zastosowania przekładni łańcuchowej do napędu robota typu Motoman (firmy YASUKAWA) Przekładnie śrubowe i zębatkowe Te dwa sposoby przenoszenia ruchu, a mianowicie mechanizmy śrubowe i zębatkowe, są równoważne. W obu tych mechanizmach poza przekazywaniem ruchu dokonuje się również redukcja prędkości obrotowej.

17 .Napęd śrubowo toczny: a) widok ogólny; b) model; c) napęd śrubowo toczny (TRANSROLL) Należy podkreślić, że przekładnia śrubowa z długą śrubą jest bardzo wrażliwa na drgania poprzeczne. Przez odpowiednie ulokowanie tej przekładni na robocie można uzyskać zwiększenie przełożenia oraz sztywności połączenia. Dołączenie rolek lub igieł między śrubą a nakrętką polepsza własności tej przekładni Przekładnie falowe Duże prędkości kątowe silników prądu stałego wymagają stosowania przekładni redukcyjnych o dużym przełożeniu. W przypadku gdy silniki znajdują się w stawach" łączących ramiona manipulatora przekładnie te muszą mieć małe rozmiary i masę. Właściwości takie mają przekładnie falowe. a) b) Schematy dwóch przekładni falowych: a) z dwiema rolkami; b) z trzema rolkami Schematy dwóch przekładni falowych przedstawiono na rys. powyżej. W przekładniach tych koło zewnętrzne o liczbie zębów z 1 jest sztywne, a koło wewnętrzne o liczbie zębów z 2, nieco mniejszej niż z 1, jest elastyczne. Wewnątrz elastycznego koła wewnętrznego znajduje się obracający się wodzik, zwany generatorem fali z dwoma, lub trzema obracającymi się rolkami dociskającymi koło wewnętrzne do zewnętrznego. Przekładnia z dwurolkowym generatorem fali nazywa się przekładnią dwufalową, przekładnia z trójrolkowym generatorem fali przekładnią trójfalową. Redukcja prędkości uzyskana w wymienionych przekładniach jest równa z 2 /(z 1 -z 2 ). 4. Urządzenia chwytające i głowice technologiczne robotów przemysłowych Robot będąc z definicji wielozadaniowy, musi wykonywać sprecyzowane zadania przemysłowe w tym celu powstały chwytaki. Formułując dalej problem można powiedzieć, że chwytaki są częścią robota, która: - bezpośrednio współpracuje z manipulowanym przedmiotem; od której w istotny sposób zależy dokładność manipulacji; nie może by wykonany jako część uniwersalna do wszystkich zastosowań. W procesie manipulacji możemy wyszczególnić następujące zadania elementarne chwytaka: 1) pobranie (uchwycenie) obiektu manipulacji (przedmiotu) w położeniu początkowym; 2) trzymanie obiektu (przedmiotu) w trakcie trwania czynności manipulacyjnych; 3) poprawienie (ewentualne) orientacji manipulowanego przedmiotu; 4) uwolnienie obiektu manipulacji w miejscu docelowym.

18 Istnieją różne klasyfikacje ruchów chwytnych. Na rys. 2 przedstawiona została jedna z klasyfikacji tejże operacji. Klasyfikacja ta dzieli ruchy na 6 podstawowych chwytów opisanych na rys. 2. Istnieją klasyfikacje wyróżniające nawet 9 rodzajów uchwytu. Rys podstawowych rodzajów chwytu Robotyka przemysłowe sprowadza najczęściej problem chwytania przedmioty do 4 kategorii. Rozróżniamy zatem następujące rodzaje chwytania przedmiotów: chwytanie przez obejmowanie; chwytanie cierne; chwytanie przez przyssanie; chwytanie magnetyczne. Dokładny opis jak przebiega dane chwytanie jest zawarty w wykładzie 5.1 na stronach Sterowanie i programowanie robotów. Sterowanie robota przemysłowego powinno zapewniać współdziałanie wszystkich jego zespołów konstrukcyjnych (układów napędowych, sensorycznych, efektora), programowanie pracy i niezawodne wykonywanie zaprogramowanych czynności Zadania układów sterowania Omówienie układów sterowania robotów wymaga wyodrębnienia wypełnianych przez nie zadań sterowania. Są to: Reagowanie na działalność operatora, a szczególnie: - umożliwienie ręcznego sterowania napędami, - umożliwienie wprowadzenia żądanego programu działania robota, tzn. ustalenie kolejności ruchów, ich uwarunkowań czasowych oraz procesowych, a także współrzędnych punktów charakterystycznych toru ruchu, - pamiętanie wprowadzonego programu; zakres zadania tego typu, zwanego dalej programowaniem, zależy od występowania i stopnia złożoności dalszych czterech typów zadań Włączanie i wyłączanie napędów dwustanowych, szczególnie dwustanowych zespołów ruchu oraz chwytaków; zadanie to będzie określone jako sterowanie w osiach dyskretnych Sterowanie zespołami ruchu pozycjonowanymi w całym zakresie przemieszczeń: - ustalanie kierunków, prędkości i ewentualnie przyspieszeń ruchu, a także koordynacja między ruchami wykonywanymi jednocześnie, w dwóch lub więcej osiach; zadanie to będzie określone jako sterowanie w osiach pozycjonowanych płynnie lub numerycznie Sterowanie i koordynacja podsystemów składowych stanowiska pracy robota, obejmująca: - oczekiwanie na spełnienie warunków koniecznych do zakończenia określonego fragmentu pracy robota, np. oczekiwanie na osiągnięcie zadanego położenia chwytaka, - oczekiwanie na osiągnięcie określonych wartości sygnałów stanu obsługiwanego procesu lub maszyny, - oczekiwanie przez określony czas, włączanie i wyłączanie współpracujących z robotem maszyn technologicznych i innych urządzeń. Zadanie to będzie określane jako sterowanie wejść i wyjść technologicznych. Często tego typu urządzenia mogą być sterowane identycznie jak napędy dwustanowe.

19 Ustalenie kolejności dalszego działania po wykonaniu określonego fragmentu pracy w zależności od wartości sygnałów stanu obsługiwanego procesu, obiektu manipulacji lub samej maszyny. Zadanie to będzie określone jako rozgałęzienia programu lub ustalanie kolejności dalszego działania. 6. Metodyka wprowadzania robotów do przemysłu. Podamy tu podstawowe reguły metodyczne, według których należy postępować przy wprowadzaniu robotów przemysłowych na stanowiska technologiczne. Podamy ogólnie znane metody analizy czynności maszynowych i ręcznych, projektowania zautomatyzowanych stanowisk oraz nowe metodyki uzyskane na podstawie stosowania robotów przemysłowych w praktyce. Grupa czynności Podgrupa czynności Wynik Analiza stanowiska Wybór typu robota Organizacja procesu manipulacji Analiza ekonomiczna Dobór urządzeń dodatkowych Dobór oprogramowania Technicznoorganizacyjne zabezpieczenie eksploatacji stanowiska zadania manipulacyjne maszyny produkcyjne obiekty manipulacji technologia analiza przestrzenna i czasowa liczba osi sterowanych dokładność prędkość przemieszczeń liczba kroków programowych strefa obsługi liczba sterowanych funkcji zewnętrznych organizacja procesu roboczego rozwiązanie dyspozycyjne stanowiska obsługa zespołu maszyn nakłady na projekt korzyści ekonomiczne czas zwrotu mechanizmy mocujące przenośniki podajniki zasobniki urządzenia zaciskowe diagram manipulacji system blokad i uzależnień diagram czasowy programowanie ustawienie programów przeszkolenie obsługi robota zainstalowanie robota konserwacja usuwanie uszkodzeń 7. Charakterystyki robotów przemysłowych i ich badanie. decyzja co do wprowadzenia robota założenia projektowe typ robota projekt ideowy stanowiska podjęcie decyzji o realizacji stanowiska projekt urządzeń dodatkowych oprogramowanie stanowiska instrukcje robocze 7.1. Przemieszczenia Badanie pozycjonowania przeprowadza się, mierząc i rejestrując położenie oraz jego zmiany w wybranych punktach przestrzeni roboczej Dokładności Wyniki pomiarów mogą być różne zależnie od: - Wyboru punktów w przestrzeni roboczej w której przeprowadzane są pomiary (szczególnie ich oddalenia od maksymalnego zasięgu ruchu) - Zaprogramowania trajektorii ruchów robota - Obciążenia robota - Prędkości robota 7.3. Powtarzalność pozycjonowania.

20 określa się jako różnicę pomiędzy poszczególnymi wartościami pomiaru (nie ma konieczności wyznaczania punktu odniesienia). Metody określania powtarzalności pozycjonowania: - Określenie maksymalnego błędu bezwzględnego jaki wystąpił podczas pomiarów - Obróbka statystyczna wyników pomiarów- określenie błędu bezwzględnego oraz wartości odchylenia średniego - Według wzoru Xmax Xmin S z założeniem, że 2 S- powtarzalność pozycjonowania X max - maksymalna wartość pomiaru w serii X min - minimalna wartość pomiaru w serii 7.4. Wytrzymałość i odporność na narażenia środowiskowe Zależnie od stanowiska pracy robot podlega różnym zagrożeniom. Najczęstsze z nich to: -wysoka temperatura -duża wilgotność -atmosfera wywołująca korozję (gł. zawartość amoniaku) -zapylenie powodujące przyspieszone zużycie części ruchomych -zalanie, zachlapanie, uderzenie części stałych (w tym o wysokiej temperaturze) oraz działanie strumienia pary -udary i wibracje -zakłócenia elektromagnetyczne Dodatkowo roboty podlegają narażeniom podczas transportu spowodowanych: -działaniem wysokich i niskich temperatur -wilgotnością -wstrząsami transportowymi W tym miejscu należy podkreślić różnicę pomiędzy odpornością i wytrzymałością. Mówiąc, że na pewne narażenia robot powinien być odporny mamy na myśli, że powinien on poprawnie działać podczas występowania narażenia. Jeśli zaś powinien on być wytrzymały to znaczy że powinien on wytrzymać bez uszkodzenia działanie czynników wymuszających. 8. Bezpieczeństwo na zrobotyzowanych stanowiskach pracy 8.1. Zagrożenia na zrobotyzowanych stanowiskach pracy Na samym początku należałoby zastanowić się jakie są cele wprowadzania robotów do procesów przemysłowych. W uogólnieniu można je sprowadzić do dwóch podstawowych: - Usprawnienie procesów przemysłowych - Możliwość zastąpienia operatorów (ludzi) wszędzie tam gdzie występuje zagrożenie dla ich życia lub zdrowia (wysoka radiacja, zapylenie, hałas, skrajne temperatury, trujące wyziewy, zagrożenia fizyczne(kopalnie)) Przy projektowaniu zabezpieczeń należy przyjąć co najmniej trzy możliwości bezpośredniego kontaktu operatora z robotem: - W czasie programowania (uczenia) robota - Podczas pracy robota, gdy w jego zasięgu (gnieździe) znajdzie się człowiek - Podczas naprawy i konserwacji 8.2. Przyczyny wypadków podczas pracy w systemach zrobotyzowanych. - Niepoprawny ruch robota podczas programowania - Niewłaściwy ruch robota podczas testowania programu - Błąd działania innego obiektu systemu podczas testowania jego programu - Błąd podczas regulacji i napraw urządzeń - Pojawienie się człowieka w strefie roboczej robota - Nieprawidłowy ruch robota podczas pracy automatycznej - Błąd pracy innego obiektu systemu podczas pracy automatycznej robota - Przyczyna wykonania nieoczekiwanego ruchu - Defekt części elektronicznych -Defekt części mechanicznych -Defekt urządzenia współpracującego z robotem -Złe połączenie robot- urządzenie