MiA_cz.5 Roboty przemysłowe i mobilne www.robotyka.com/teoria_spis.php 1 Czynniki techniczne rozwoju robotyki Rozwój technologii produkcyjnych i konstrukcyjnych, dzięki którym produkcja robotów stała się technicznie możliwa i ekonomicznie opłacalna. Zwiększenie zapotrzebowania w przemyśle na manipulowanie przedmiotami, którymi nie można manipulować ręcznie, ze względu na wysoką temperaturę, dużą masę, niewygodne kształty, promieniotwórczość, obecność substancji szkodliwych (pyły, gazy, agresywne ciecze itd.), zbyt wysokie lub niskie ciśnienie, atmosferę pozbawiona tlenu itd. Dążenie do zapewnienia wysokiej i powtarzalnej jakości wyrobów wynikającej ze zwiększającej się konkurencji na rynkach zbytu.
Czynniki ekonomiczne rozwoju robotyki Instalowanie kapitałochłonnych maszyn zmusza do maksymalnego ich wykorzystania (praca 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu) Zwiększenie kosztów pracy ludzkiej sprawiające, że robot jest operatorem tańszym niż człowiek (przy spełnieniu pewnych warunków) Możliwość elastycznej automatyzacji produkcji często zmieniającej się, gdy stosowanie kosztownych wyspecjalizowanych maszyn produkcyjnych jest nieopłacalne Czynniki społeczne rozwoju robotyki Problem starzenia się społeczeństwa (szczególnie zauważalny w Japonii) oraz malejąca liczba chętnych do wykonywania prac nudnych, monotonnych i powtarzających się, nie dających satysfakcji emocjonalnej. Tendencje do zwiększania bezpieczeństwa pracy - zastępowanie ludzi robotami, szczególnie na stanowiskach pracy niebezpiecznych dla zdrowia lub życia człowieka.
Elementy robota 5 Kontroler - Inteligencja, sieci przemysłowe Robot (jednostka mechaniczna) Teach Pendant PLC Kontroler Programowanie off-line PC Roset DeviceNet Profibus-DP Programowanie Inteligencja on-line Systemy wizyjne Wczesne wykrywanie kolizji Ethernet Spawarka I/O 6
Wprowadzenie Robotyka jest stosunkowo nową dziedziną nauki, która łączy różne tradycyjne gałęzie nauk technicznych. Zrozumienie zawiłości budowy robotów i ich zastosowań wymaga znajomości zagadnień automatyki, elektrycznych, mechanicznych, nauk komputerowych, ekonomii i matematyki. Nowe działy inżynierii, takie jak inżynieria wytwarzania, inżynieria zastosowań i inżynieria wiedzy, w znacznym stopniu dotyczą problemów z obszaru robotyki i szeroko pojętej automatyki przemysłowej. 7 Roboty I generacji 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. 8
Roboty II generacji Roboty II generacji to roboty wyposażone w zamknięty układ sterowania oraz czujniki pozwalające dokonywać pomiarów podstawowych parametrów stanu robota i otoczenia. Roboty II generacji powinny spełniają warunek takiej taktyki przy kontakcie ze światem zewnętrznym, aby 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. Takie roboty realizują te wymagania za pomocą zespołu czujników. 9 Roboty III generacji 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. 10
Historia i prawa robotyki Pojęcie "ROBOT" w literaturze wystąpiło po raz pierwszy w sztuce czeskiego pisarza Karel'a Ĉapka (1890-1938) R.U.R (Rossum's Universal Robots) w roku 1920. Słowo "robot" oznacza w języku czeskim pracę lub służbę przymusową. W roku 1942 Isaac Assimov w krótkim opowiadaniu "Runaround" po raz pierwszy użył słowa robotyka. W kolejnych latach Assimov w swoich utworach niejednokrotnie poruszał tematy robotyki w roku 1950 wydał zbiór opowiadań pod tytułem "Ja, robot". Assimov wprowadził także trzy prawa robotyki, według których, jak uważa autor, powinny być programowane roboty: Prawo zerowe: Robot nie może szkodzić ludzkości, ani nie może, przez zaniedbanie, narazić ludzkości na szkodę. Prawo pierwsze: Robot nie może zranić istoty ludzkiej, ani nie może przez zaniedbanie narazić człowieka na zranienie, chyba, że narusza to prawo o wyższym priorytecie. Prawo drugie: Robot musi spełniać polecenia wydawane przez człowieka, poza poleceniami sprzecznymi z prawami o wyższym priorytecie. Prawo trzecie: Robot musi chronić samego siebie dopóki dopóty nie jest to sprzeczne z prawem o wyższym priorytecie 11 Definicja robota Według definicji wprowadzonej w 1979 roku przez (Robotics Industries Association) robot to: "Programowalny, wielofunkcyjny manipulator zaprojektowany do przenoszenia materiałów, części, narzędzi lub specjalizowanych urządzeń poprzez różne programowalne ruchy, w celu realizacji różnorodnych zadań". Manipulating industrial robot as defined in ISO 8373 (1994) An automatically controlled, reprogrammable, multipurpose, manipulator programmable in three or more axes, which may be either fixed in place or mobile for use in industrial automation applications. Podstawową cechą robotów jest ich programowalność, co pozwala bez większych kłopotów przystosować robota do zmiennych wymagań i środowisk pracy. Początkowo roboty były projektowane do wykonywania różnych czynności związanych z przenoszeniem materiałów. Program pracy zawierał zamkniętą sekwencję ruchów z punktu A, zamknięcie chwytaka (uchwycenie przenoszonego przedmiotu), ruch do punkty B, otwarcie chwytaka (odłożenie przenoszonego przedmiotu). Roboty te nie były wyposażone w żadne zewnętrzne czujniki. Dopiero zastosowanie robotów do bardziej skomplikowanych czynności jak spawanie, stępianie krawędzi czy montaż zmusiło konstruktorów do stworzenia robotów posiadających możliwość wykonywania bardziej skomplikowanych ruchów i wyposażenie ich w czujniki pozwalające im na większą interakcję z otoczeniem. 12
Robot - maszyna cybernetyczna Sztuczne urządzenie przeznaczone do częściowego lub całkowitego zastępowania funkcji energetycznych, fizjologicznych i intelektualnych człowieka. Poprzez funkcje energetyczne należy rozumieć zastępowanie pracy fizycznej, funkcje fizjologiczne jako zastępowanie organów, natomiast funkcje intelektualne jako właściwości adaptacyjne maszyny w zmieniającym się środowisku. Przy takiej definicji maszyny cybernetycznej, mechanizm cybernetyczny można zdefiniować jako część maszyny cybernetycznej zastępującej czynności ruchowe człowieka. 13 Dobór odpowiedniej jednostki mechanicznej 14
Dobór urządzeń peryferyjnych Złącze antykolizyjne 15 Schemat blokowy robota 16
Robot Kawasaki jednostka mechaniczna Parametry: Liczba stopni swobody Udźwig Zasięg Powtarzalność Prędkość ruchu 17 Kinematyka i dynamika robota Kinematyka prosta to obliczanie pozycji końcowej efektora, orientacji, prędkości i przyspieszenia struktur mechanicznych, przy znanych wartościach opisujących złącza. Kinematyka odwrotna pozwala określić zmienne przegubowe w zależności od pozycji i orientacji efektora. Dynamika prosta pozwala obliczyć prędkość i przyspieszenie przy znanych wartościach sił działających na robota. Jest ona używana do symulacji komputerowych robotów. Dynamika odwrotna pozwala obliczyć siły działające na struktury mechaniczne robota przy znanych prędkości i przyspieszeniu. Informacje wynikające z zastosowania zadania dynamiki odwrotnej mogą posłużyć do usprawnienia algorytmów kontroli robotów. 18
Układy ruchu robotów Jednostkę kinematyczną manipulatora tworzy mechanizm kinematyczny wraz dołączonymi napędami. Współczesne manipulatory zbudowane są w postaci szeregowo lub szeregowo-równoległego układu połączonych ruchowo członów kinematycznych, czyli tzw. łańcucha kinematycznego. 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 V klasy, a więc pary o wzajemnym ruchu postępowym lub obrotowym. W przyszłości być może znajdą zastosowanie w budowie jednostki kinematycznej pary pozostałych klas szczególnie IV i III jednak obecnie trudności konstrukcyjne powodują, że nie znajdują one zastosowania poza robotami laboratoryjnymi. Wspomniane pary kinematyczne klasy V to przeguby obrotowe służące do obrotu jednego członu względem drugiego, oraz przeguby przesuwne umożliwiające ruch postępowy pomiędzy członami. 19 Pary kinematyczne V klasy schemat 2D 3D Przegub przesuwny (P) Przegub obrotowy (O) 20
Parametry robotów : ilość stopni swobody Liczba stopni swobody 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), i numer klasy Klasy połączeń -jest to liczba określająca liczbę stopni swobody i liczbę więzów danego połączenia. kl.i :liczba stopni swobody 5; liczba więzów 1(blat + kulka). kl.ii: l.s.s. 4; l.w. 2(blat + walec). kl.iii: l.s.s. 3; l.w. 3(blat + klocek). kl.iv: l.s.s. 2; l.w. 4(rurka w rurce). kl.v: l.s.s. 1; l.w. 5(klocek wysuwany z rurki). 21 Parametry syntetyczne mechanizmu manipulatora 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. 22
Obszary przestrzeni roboczej główna przestrzeń robocza - w obrębie której przemieszcza się konstrukcyjne zakończenie ostatniego, wolnego, ale nierozdzielnie związanego z mechanizmem jednostki kinematycznej członu, z reguły sprzęgu chwytaka lub narzędzia; przestrzeń kolizyjna - 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; strefa zagrożenia - przestrzeń zabronioną przepisami lub normami BHP dla obsługi w czasie pracy jednostki kinematycznej. 23 Manipulator o 4 stopniach swobody i jego przestrzeń robocza 24
Inne parametry robotów Dokładność manipulatora określa jak blisko manipulator może dojść do zadanego punktu w przestrzeni roboczej. Powtarzalność jest wielkością określającą jak blisko manipulator może dojść do pozycji uprzednio osiągniętej. Podstawową metodą pomiaru położenia końca efektora jest pomiar zmian położenia w poszczególnych złączach. W robotach przemysłowych praktycznie nie stosuje się bezpośredniego pomiaru końca efektora, spowodowane jest to wysoką ceną i wrażliwością na zakłócenia takich czujników. Najczęściej pozycję narzędzia oblicza się na podstawie przemieszczeń odczytanych na poszczególnych złączach, jednak aby otrzymane położenie było dokładne należy założyć geometrię manipulatora i jego sztywność. Na dokładność manipulatora wpływają: - błędy obliczeniowe - dokładność obróbki poszczególnych elementów konstrukcyjnych - elastyczność poszczególnych członów - luzy w przekładniach - oraz wiele innych elementów statycznych i dynamicznych 25 Zasady projektowania robotów Dzisiaj budowane roboty są projektowane tak, aby posiadały dużą sztywność. Dokładność manipulatorów o małej sztywności mogłaby być osiągnięta tylko poprzez zastosowanie bezpośrednich czujników położenia końca efektora lub też poprzez zastosowanie skomplikowanych algorytmów sterownia. Podczas uczenia robota np. przy wprowadzaniu kolejnych pozycji, powyższe efekty są uwzględniane i układ sterowania zapamiętuje odpowiednie wartości wskazań enkoderów, niezbędne do powrotu manipulatora do tej pozycji. Na powtarzalność wpływa, więc w pierwszym rzędzie rozdzielczość układu sterowania. Przez rozdzielczość układu sterowania należy rozumieć najmniejszy przyrost ruchu, który układ sterowania może rozpoznać. Rozdzielczość jest obliczana jako całkowita droga, którą przebywa końcówka danego członu, podzielona przez 2^n,gdzie n jest liczbą bitów,określającą rozdzielczość enkodera. Przeguby przesuwne zwykle mają większą rozdzielczość niż złącza obrotowe, gdyż najkrótszą drogą pomiędzy dwoma punktami w przestrzeni jest linia prosta. Dodatkowo w przypadku osi obrotowych występują silniejsze wzajemne sprzężenia kinematyczne i dynamiczne między członami, co prowadzi do kumulowania się błędów, co z kolei prowadzi do problemów ze sterowaniem. Osie obrotowe mają także wiele zalet, należą do nich między innymi większa zwinność ruchu oraz zwartość konstrukcji osi obrotowych. Tak więc manipulatory wykonane z członów obrotowych zajmują mniej miejsca niż manipulatory z członami liniowymi, dlatego też manipulatory z członami obrotowymi są bardziej przystosowane do manewrowanie wokół przeszkód i współpracy z innymi manipulatorami w jednej przestrzeni roboczej. 26
Klasyfikacje robotów Przeznaczenie : roboty przemysłowe (zastosowanie robotów i manipulatorów w przemyśle gospodarce) roboty maszyn mobilnych (roboty kołowe, roboty kroczące jedno- i wielonożne, roboty skaczące, pełzające itd.) roboty medyczne i rehabilitacyjne (manipulatory i roboty do chirurgii, terapii, diagnostyki, protetyki i rehabilitacji) roboty dziedzinowe (roboty podwodne, latające, wojskowe, policyjne, inspekcyjne, kosmiczne, sprzątające, roboty do walki z pożarami, katastrofami, roboty w budownictwie, rolnictwie, leśnictwie, transporcie, usługach i administracji). Rodzaj zastosowanych napędów : z napędem pneumatycznym, hydraulicznym, elektrycznym,mieszanym Własności geometryczne struktur : kartezjańska (PPP) cylindryczna (OPP) antropomorficzna (OOO) sferyczna (OOP) lub typu SCARA (OOP) 27 Konfiguracja kartezjańska (PPP) Biorąc pod uwagę opis kinematyki tego manipulatora jest on najprostszy spośród wszystkich konfiguracji. Taka struktura manipulatora jest korzystna w zastosowaniach głównie do montażu na blacie stołu oraz do transportu materiałów lub ładunków. 28
Konfiguracja cylindryczna (OPP) 29 Konfiguracja cylindryczna (OPP) 30
Konfiguracja antropomorficzna (OOO) 31 Konfiguracja sferyczna (OOP) 32
Konfiguracja SCARA (Selective Compliant Articulated Robot for Assembly) Sposób ustawienia konfiguracji poszczególnych członów w strukturze SCARA jest możliwy na kilka sposobów 33 Manipulatory równoległe Zasada działania tego typu robotów opiera sie na idei odpowiednio zaprojektowanych ramion robota. Użycie tych ramion pozwala ustawić pozycje i orientacje ruchomej platformy. Takie roboty posiadają 3 ramiona, które wprowadzają 3 stopnie swobody. Ruchoma platforma jest wyposażona w efektor, który posiada dodatkowy stopień swobody umoliwiający np. obrót. 34
Wady i zalety poszczególnych konfiguracji robotów konfiguracja oznaczenie zalety wady kartezjańska PPP 3 liniowe napędy, łatwość wizualizacji pracy, łatwa w programowaniu, duża sztywność Wymaga dużego miejsca do pracy cylindryczna OPP 2 liniowe napędy + 1 obrotowy pozwala osiągnąć położenie wokół siebie, ruch obrotowy łatwy w programowaniu antropomorficzna OOO 3 napędy obrotowe pozwalają omijać przeszkody, stosunkowo duża przestrzeń robocza, Niewykonalne osiągnięcie położenia efektora ponad manipulatorem, niewygodna w omijaniu przeszkód Struktura trudna do programowania, 2 lub 4 sposoby osiągnięcia pozycji w przestrzeni, najbardziej skomplikowana struktura sferyczna OOP 1 napęd liniowy + 2 obrotowe niewygodna w omijaniu dają stosunkowo duży zasięg przeszkód, stosunkowo poziomy mały zasięg pionowy SCARA OOP 1 napęd liniowy + 2 obrotowe, duża sztywność manipulatora, stosunkowo duża i nieskomplikowana przestrzeń robocza 2 możliwości osiągnięcia pozycji w przestrzeni roboczej, trudna do sterowania, bardzo skomplikowana struktura ramienia. 35 Robot mobilny Pojazd autonomiczny Kompozycja różnorodnych fizycznych i informatycznych składników tworząca 4 podstawowe podsystemy: Ruchu (locomotion) Detekcji (sensing) Wnioskowania (reasoning) Komunikacji (communication) 36