Roboty przemysłowe Wprowadzenie
Pojęcia podstawowe 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. Pedipulator jest to kończyna dolna "noga" maszyny kroczącej. Pedipulator może być układem jedno lub kilku członowym Maszyny kroczące, czyli urządzenia techniczne przeznaczone do realizacji wybranych funkcji podobnych do funkcji lokomocyjnych zwierząt i owadów posiadających kończyny (kręgowce) lub odnóża (owady). Roboty mobilne jest to klasa robotów, które mogą się przemieszczać za pomocą kół lub gąsienic. Otoczenie robota jest to przestrzeń, w której robot jest usytuowany. Dla robotów stacjonarnych otoczenie ogranicza się do przestrzeni roboczej.
Robot jest to urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji niektórych funkcji manipulacyjnych i lokomocyjnych człowieka C układ ruchu A - układ zasilania B układ sterowania
Schemat blokowy Nomenklatura angielska:
Układ sterowania Układ sterowania - zgodnie z teorią sterowania zadaniem układu sterowania jest określenie sygnału sterowania, który należy podjąć wobec systemu (robota), aby otrzymać z góry założone właściwości. Sygnał sterujący zostaje wygenerowany na podstawie posiadanych danych o tym systemie. W przypadku robota zadaniem układu sterowania jest takie generowanie sygnałów sterujących aby układ osiągnął żądaną pozycję i orientację w przestrzeni uwzględniając omijanie przeszkód, kontrolując przy tym podstawowe parametry kinematyczne i dynamiczne
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 Roboty II generacji to roboty wyposażone w zamknięty układ sterowania oraz czujniki pozwalające dokonywać pomiarów podstawowych parametrów stanu robota i otoczenia;pomaga to uzyskać optymalny efekt działania. 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.
Roboty III 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. Schemat układu sterowania dla robotów III generacji jest taki sam jak dla robotów II generacji
Roboty przemysłowe Wysoka precyzja ruchu, powtarzające się czynności, np. przenoszenie części, malowanie natryskowe, spawanie punktowe itp. Praca w środowisku szkodliwym dla człowieka
Układ ruchu Jednostkę kinematyczną manipulatora tworzy mechanizm kinematyczny wraz dołączonymi napędami. Współczesne manipulatory zbudowane są w postaci szeregowo lub szeregoworównoległego układu połączonych ruchowo członów kinematycznych, czyli tzw. łańcucha kinematycznego. Łańcuch otwarty (szeregowy) Łańcuch zamknięty (równoległy)
Elementy kinematyczne tworzące parę kinematyczną z dołączonym napędem pozwalają na realizację ruchów względnych elementów pary kinematycznej; tworzą zespół ruchu. We współcześnie konstruowanych maszynach manipulacyjnych znaczenie techniczne mają wyłącznie połączenia członów tzw. V klasy, a więc pary o wzajemnym ruchu postępowym lub obrotowym. Wspomniane pary kinematyczne klasy V to przeguby obrotowe służące do obrotu jednego członu względem drugiego, oraz przeguby pryzmatyczne umożliwiające ruch postępowy pomiędzy członami. Kombinacje przedstawionych przegubów tworzą odpowiednie konfiguracje kinematyczne manipulatorów i robotów
Parametry opisu manipulatorów i robotów Manipulatory i roboty przemysłowe najczęściej posiadają otwarty łańcuch kinematyczny. Łańcuchy te składają się z kilku ogniw czynnych umożliwiających przestrzenne przemieszczanie i orientacje końcówki roboczej, czyli efektora. Liczba stopni swobody (ang. DOF degree of freedom) jest to ilość zmiennych położenia, jaką należy podać w celu jednoznacznego określenia układu w przestrzeni. W celu wyznaczenia liczby stopni swobody korzysta się ze wzoru: Gdzie: w - liczba stopni swobody n - liczba członów ruchomych p i - liczba połączeń odpowiedniego rodzaju (klasy)
PRZYKŁAD: Dla manipulatora z czterema parami kinematycznymi wyznaczyć liczbę stopni swobody oraz podać ilość napędów, jaką trzeba zastosować, aby manipulator mógł spełniać swoje zadanie: liczba członów ruchomych manipulatora wynosi n=4; w przypadku analizowanego manipulatora występują wyłącznie pary kinematyczne klasy V, czyli p 5 =4 (2 przeguby obrotowe i 2 przeguby pryzmatyczne). Zatem: w=6*4-5*4=4 Aby manipulator posiadał cztery stopnie swobody należy zastosować 4 napędy
PRZYKŁAD: Dla manipulatora z czterema parami kinematycznymi wyznaczyć liczbę stopni swobody oraz podać ilość napędów, jaką trzeba zastosować, aby manipulator mógł spełniać swoje zadanie (manipulator posiada przegub kulowy klasy III): Istnieje kilka sposobów rozwiązania tego zadania, można zastąpić przegub kulowy trzema przegubami obrotowymi z zerowymi przemieszczeniami lub podstawić do wzoru na DOF odpowiednią klasę pary kinematycznej: mamy n=4, p 3 =1, p 5 =3, zatem: w=6*4-5*3-3*1=6 Należy zastosować 6 napędów, które należy przyłożyć do poszczególnych członów tak jak na rys powyżej
Jednostkę kinematyczną manipulatora tworzy mechanizm kinematyczny wraz z dołączonymi napędami. Mechanizm maszyny manipulacyjnej określają dwa parametry kinematyczne: 1. ruchliwość - liczba stopni swobody łańcucha kinematycznego mechanizmu z unieruchomionym członem - podstawą; 2. manewrowość - liczba stopni swobody łańcucha kinematycznego mechanizmu z unieruchomionymi: członem - podstawą i członem - ostatnim w łańcuchu kinematycznym; Pierwszy z tych parametrów określa liczbę więzów, jaką należałoby nałożyć na mechanizm, aby go całkowicie unieruchomić. Drugi - podobnie, ale po dodatkowym jeszcze unieruchomieniu ostatniego wolnego członu, a więc określa swobodę ruchu mechanizmu w przypadku gdy np. chwytak lub narzędzie jednostki kinematycznej zajmuje ściśle określone położenie.
Mechanizm jednostki kinematycznej manipulatora opisuje się także przez podanie jego ogólnych właściwości geometrycznych, czyli tak zwanej struktury kinematycznej. Pod pojęciem struktury kinematycznej łańcucha lub mechanizmu rozumie się określenie schematu kinematycznego w postaci szkicu, wykorzystującego oznaczenia członów i połączeń par kinematycznych. Bardzo często gdy struktura manipulatora jest skomplikowana istnieje możliwość przedstawienia struktury kinematycznej w przestrzeni trójwymiarowej (np. w izometrii):
Struktura jednostki kinematycznej wraz z opisem wymiarowym schematu kinematycznego i zakresem przemieszczeń zespołów ruchu w sposób jednoznaczny określają przestrzeń ruchów mechanizmu, a także przestrzeń ruchów chwytaka lub narzędzia. Ze względów użytkowych, przestrzeń ta jest opisana, niezależnie od zwymiarowanego szkicu, także przez podanie objętości. W przestrzeni roboczej wyróżnia się następujące obszary: - główną przestrzeń roboczą -w obrębie której przemieszcza się konstrukcyjne zakończenie ostatniego, wolnego, ale nierozdzielnie związanego z mechanizmem jednostki kinematycznej członu, z reguły sprzęgu chwytaka lub narzędzia - przestrzeń kolizyjną -w obrębie której zawierają się wszystkie elementy konstrukcyjne i przemieszczają się wszystkie zespoły ruchu - człony mechanizmu jednostki kinematycznej - przestrzeń ruchów jałowych -przestrzeń kolizyjną z wyłączeniem głównej przestrzeni roboczej - strefę zagrożenia strefę zagrożenia -przestrzeń zabronioną przepisami lub normami BHP dla obsługi w czasie pracy jednostki kinematycznej
Przestrzenie robocze i kolizyjne dzieli się na: mechaniczne i sterownicze. Przestrzenie mechaniczne wynikają z konstrukcyjnych właściwości jednostki kinematycznej z korekcjami pochodzącymi np.: od sumowania luzów w połączeniach, statycznymi i dynamicznymi odkształceniami sprężystymi itp. Przestrzenie te są z reguły większe od przestrzeni nominalnych określonych na podstawie geometrii mechanizmu. Przestrzenie sterownicze uwzględniają ograniczenia sterownicze wynikające z właściwości układów pomiarowych przemieszczeń, ograniczenia wynikające z zakresu przetwarzania oraz właściwości samego układu sterownia np. ograniczenia wynikające z zakresów pracy serworegulatorów. Przestrzenie te są z reguły mniejsze od przestrzeni nominalnej. Przykładowa główna przestrzeń robocza
Schemat kinematyczny Główna przestrzeń robocza 4 DOF 4 DOF 6 DOF
O czym za tydzień? Klasyfikacja robotów - na podst. własności geometrycznych - na podst. budowy jednostki kinematycznej - ze względu na obszar zastosowań Kiści i chwytaki robotów Podstawy matematycznego opisu kinematyki robotów
Literatura Niederliński A.: Roboty przemysłowe, WSiP, Warszawa 1981 Craig J. J.: Wprowadzenie do robotyki, WNT, Warszawa, 1995. Spong M. W., Vidyasagar M.: Dynamika i sterowanie robotów, WNT, Warszawa, 1997. Tchoń K., Mazur A., Dulęba I., Hossa R., Muszyński R.: Manipulatory i roboty mobilne, Akademicka Oficyna Wydawnicza PLJ, Warszawa, 2000. Olszewski M., Barczyk J., Falkowski J. L., Kościelny W. J.: Manipulatory i roboty przemysłowe - automatyczne maszyny manipulacyjne, WNT, Warszawa, 1992. Pritschow G.: Technika sterowania obrabiarkami i robotami przemysłowymi, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1995. Bodo H., Gerth W., Popp K.: Mechatronika - komponenty, metody, przykłady, PWN, Warszawa, 2001.