Bezpieczna obsługa oraz praca robota na stanowisku przemysłowym Dr inż. Tomasz Buratowski Wydział inżynierii Mechanicznej i Robotyki Katedra Robotyki i Mechatroniki
Bezpieczna Obsługa Robota Podstawowe zagadnienia wpływające na bezpieczeństwo obsługi robota: - Znajomość struktury kinematycznej manipulatora - Znajomość przestrzeni roboczej - Znajomość układu sterowania oraz odpowiednie zastosowania czujników - Odpowiednie oznakowanie oraz zabezpieczenie miejsca pracy robota - W przypadku bardzo złożonych zadań obliczeniowych oraz niepewności co do informacji pozyskiwanych o otoczeniu ograniczenie autonomiczności.
ROBOTY SPAWALNICZE Jest to jedno z najpowszechniejszych zastosowań robotów w przemyśle. Pod pojęciem robotów spawalniczych należy rozumieć szereg różnych robotów wykorzystywanych do spawania, zgrzewania, lutowania, wykorzystywanych najczęściej w przemyśle samochodowym i elektronicznym. Na rysunku poniżej przedstawiono grupę robotów serii UP firmy MOTOMAN podczas operacji spawania elementów mechanicznych. Każdy robot jest wyposażony w spawarki.
ROBOTY MALARSKIE Innym polem zastosowania robotów w przemyśle jest natryskowe malowanie wyrobów. Powtarzalność i szybkość pracy robotów pozwala uzyskać prawie doskonałe pokrycie malowanego materiału. Dodatkowym powodem stosowania robotów przy malowaniu natryskowym jest eliminacja szkodliwości stosowanych substancji dla człowieka. Roboty PX1850 firmy MOTOMAN
ROBOTY DO PRZENOSZENIA MATERIAŁÓW I ZAŁADUNKU PALET Zastosowanie robotów do przenoszenia materiałów pozwala nie tylko zredukować koszty związane z zatrudnianiem pracowników do obsługi urządzeń transportowych, ale także poprawić bezpieczeństwo pracy. Innym bardzo ważnym celem tego typu robotów jest zastąpienie człowieka w wykonywaniu monotonnych operacji takich jak np. układanie, sortowanie. Na zdjęciach robot RH-5AH firmy MITSUBISHI przy operacji załadunku palet.
ROBOTY DO UTYLIZACJI I ZABEZPIECZANIA ODPADÓW Obecnie jednym z podstawowych zastosowań robotów jest utylizacja i zabezpieczanie odpadów przemysłowych i militarnych. Przykładem takiego zastosowania może być np. rozbrajanie amunicji. Robota wykorzystywanego do tego typu operacji przedstawiono poniżej. Roboty mogą być także wykorzystywane do zabezpieczania i utylizacji substancji radioaktywnych. W przeszłości takie operacje wykonywane były ręcznie przez operatorów, co naturalnie narażało ich na duże niebezpieczeństwo i skutkowało napromieniowaniem. Jednym z rozwiązań problemu utylizacji i zabezpieczania odpadów radioaktywnych jest system zaprojektowany przez Sandia s Inteligent Systems and Robotics Center (ISRC) który wykorzystuje robota o 6 stopniach swobody.
ROBOTY DO UTYLIZACJI I ZABEZPIECZANIA ODPADÓW Manipulator tego robota jest zaprogramowany do przenoszenia odpadów do kilku specjalistycznych oraz zautomatyzowanych stacji, gdzie mogą one być rozpakowywane z kontenerów, ważone, sprawdzane pod względem szczelności oraz przepakowywane. Taki zrobotyzowany system używa zaawansowanych technologii automatyzacji w celu zapewnienia bezpieczeństwa podczas wykonywania trudnych operacji. Opisany system jest wykorzystywany do utylizacji i sprawdzania odpadów oraz broni nuklearnej, co implikuje zastosowanie wcześniej wspomnianych zaawansowanych technologii jak np. kontrola siły z jaką manipulator robota dokonuje złożonych operacji.
Schemat blokowy robota: A Zewnętrzne zasilanie Urządzenie do uczenia (terminal lub panel programowania) Komputerowy sterownik robota Ramię robota Pamięć programów (dysk lub taśma) Oprzyrządowanie końca ramienia robota B C A układ zasilania, B- układ sterowania, C układ ruchu.
Generacje robotów Bardzo częstym określeniem związanym z robotami jest pojęcie generacji robotów, można wyróżnić III generacje robotów. Roboty I generacji to roboty przemysłowe zaprogramowane na określoną sekwencję czynności. Schemat blokowy układu sterowania robota I generacji pokazano na rysunku poniżej. Otwarty układ sterowania
Roboty II generacji Roboty II generacji są wyposażone w różnego rodzaju czujniki umożliwiające określoną współpracę z otoczeniem. 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. Schemat blokowy układu sterowania robota II generacji przedstawiono na rysunku poniżej. Zamknięty układ sterowania
Roboty III generacji Roboty III generacji to roboty typu ręka-oko (rozpoznawanie obiektów). Schemat układu sterowania dla robotów III generacji jest taki sam jak dla robotów II generacji. W tym układzie informacja o otoczeniu jest odbierana za pomocą sensorów wizyjnych oraz przekazywana do komputera, co umożliwia, przy znajomości modeli kinematyki i dynamiki manipulatora oraz kryterium sterowania, realizację zaplanowanego zadania, np. zadanej trajektorii. Zamknięty układ sterowania Zamknięty układ sterowania z ujemnym sprzężeniem zwrotnym Zamknięty układ sterowania z ujemnym sprzężeniem zwrotnym oraz sprzężeniem do przodu.
PARAMETRY OPISUJĄCE MANIPULATORY ROBOTÓW Elementy kinematyczne tworzące parę kinematyczną z dołączonym napędem pozwalającym na realizację ruchów względnych elementów pary kinematycznej, tworzą zespół ruchu. We współcześnie konstruowanych maszynach manipulacyjnych znaczenie techniczne mają najczęściej połączenia członów V klasy a więc pary o wzajemnym ruchu postępowym lub obrotowym. W mniejszym stopniu znajdują zastosowanie w budowie jednostki kinematycznej pary pozostałych klas szczególnie IV i III. Trudności konstrukcyjne powodują, że nie znajdują one zastosowania na szeroką skalę w przemyśle. Jednostkę kinematyczną manipulatora tworzy mechanizm kinematyczny wraz z dołączonymi napędami. Mechanizm maszyny manipulacyjnej określają dwa parametry kinematyczne: ruchliwość liczba stopni swobody łańcucha kinematycznego mechanizmu z unieruchomionym członem podstawą; 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.
PRZESTRZEŃ ROBOCZA 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; strefę zagrożenia przestrzeń zabronioną przepisami lub normami BHP dla obsługi w czasie pracy jednostki kinematycznej.
DOKŁADNOŚĆ I POWTARZALNOŚĆ Innymi istotnymi parametrami opisującymi manipulatory i roboty są dokładność i powtarzalność. 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 pozycji i orientacji 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.
KLASYFIKACJA ROBOTÓW Innym kryterium klasyfikacji robotów jest rodzaj zastosowanych napędów i tak można podzielić następująco: z napędem pneumatycznym z napędem hydraulicznym z napędem elektrycznym z napędem mieszanym Obecnie roboty przemysłowe bardzo często posiadają napędy elektryczne, pneumatyczne lub mieszane (elektryczne i pneumatyczne). Napędy hydrauliczne stosuje się głównie w przypadku struktur, których przeznaczeniem jest praca z dużym obciążeniem. Interesującym kryterium podziału robotów mogą być również własności geometryczne, podział ten reprezentują struktury o otwartym łańcuchu kinematycznym: kartezjańska (PPP) cylindryczna (OPP) antropomorficzna (OOO) sferyczna (OOP) typu SCARA (OOP)
KLASYFIKACJA NA PODSTAWIE WŁASNOŚCI GEOMETRYCZNYCH KONFIGURACJA KARTEZJAŃSKA (PPP) Manipulator, którego trzy pierwsze przeguby są pryzmatyczne, jest nazywany manipulatorem kartezjańskim. Konfigurację tego manipulatora przedstawiono na schemacie przestrzennym. Konfiguracja kartezjańska (PPP) Główna przestrzeń robocza Dla manipulatora kartezjańskiego zmienne przegubowe są współrzędnymi kartezjańskimi końcówki roboczej względem podstawy. Biorąc pod uwagę opis kinematyki tego manipulatora jest on najprostszy spośród wszystkich konfiguracji.
KLASYFIKACJA NA PODSTAWIE WŁASNOŚCI GEOMETRYCZNYCH KONFIGURACJA KARTEZJAŃSKA (PPP) Istniej wiele firm, które zajmują się sprzedażą robotów o strukturze kartezjańskiej. Przykładowo Firma SEIKO dostarcza roboty XM3000, które są reprezentantami tej struktury. Poniżej przedstawiono rzuty tego manipulatora z rysunku technicznego uzyskanego ze strony internetowej firmy SEIKO. Taka struktura manipulatora jest korzystna w zastosowaniach głównie do montażu na blacie stołu oraz do transportu materiałów lub ładunków.
KLASYFIKACJA NA PODSTAWIE WŁASNOŚCI GEOMETRYCZNYCH KONFIGURACJA CYLINDRYCZNA (OPP) W konfiguracji cylindrycznej pierwszy przegub jest obrotowy i wykonuje obrót względem podstawy, podczas gdy następne przeguby są pryzmatyczne. W takiej strukturze zmienne przegubowe są jednocześnie współrzędnymi cylindrycznymi końcówki roboczej względem podstawy, a przestrzenią roboczą jest niepełny cylinder. Konfiguracja cylindryczna (OPP) Główna przestrzeń robocza
KLASYFIKACJA NA PODSTAWIE WŁASNOŚCI GEOMETRYCZNYCH KONFIGURACJA CYLINDRYCZNA (OPP) Jednym z przykładów struktury cylindrycznej jest robot RT3300 firmy SEIKO. Struktura ta znajduje zastosowanie w przemyśle głównie do paletyzacji elementów, czyli układania detali w paletach.
KLASYFIKACJA NA PODSTAWIE WŁASNOŚCI GEOMETRYCZNYCH KONFIGURACJA ANTROPOMORFICZNA (OOO) Do grupy manipulatorów antropomorficznych zalicza się te manipulatory które posiadają strukturę składającą się z trzech przegubów obrotowych. Konfiguracja antropomorficzna (OOO) Główna przestrzeń robocza
KLASYFIKACJA NA PODSTAWIE WŁASNOŚCI GEOMETRYCZNYCH Przedstawiona struktura manipulatorów nosi również nazwę manipulatorów z łokciem, przykładem takiej struktury mogą być np. roboty firmy Mitsubishi serii RV. Poniżej przedstawiono manipulator RV-1A oraz manipulator RV-2AJ. Manipulator RV-1A Manipulator RV-2AJ Taka konfiguracja zapewnia stosunkowo dużo swobody ruchu w zamkniętej przestrzeni.
Istnieje wiele innych firm zajmujących się produkcją robotów z antropomorficzną konfiguracją manipulatora, przykładowo firmy UNIMATE, DENSO, KAWASAKI, ABB. Przykładowe modele trójwymiarowe manipulatorów firmy ABB przedstawiono poniżej. IRB-140 IRB-640 IRB-1400 IRB-2400 IRB-4400 IRB-6600 IRB-6400R
KONFIGURACJA SFERYCZNA (OOP) Konfiguracja sferyczna powstaje z zastąpienia w konfiguracji antropomorficznej trzeciego przegubu obrotowego przegubem pryzmatycznym. Konfiguracja sferyczna (OOP) Główna przestrzeń robocza
KONFIGURACJA SCARA (OOP) Konfiguracja SCARA (Selective Compliant Articulated Robot for Assembly), obecnie jedna z często występujących struktur w przemyśle. Głównym przeznaczeniem tej klasy manipulatorów jest montaż elementów i podzespołów oraz powtarzalne przenoszenie detali oraz ich sortowanie. Konfiguracja SCARA (OOP) Przestrzeń robocza
Istnieje wiele firm zajmujących się konstruowaniem i sprzedażą tej klasy robotów miedzy innymi firmy: MITSUBISHI, SONY, EPSON, ADEPT, YAMAHA, SETKO, DENSO. Na rys. zilustrowano reprezentanta konfiguracji SCARA manipulator serii ES firmy SEIKO. Manipulator serii ES firmy SEIKO Dostępne konfiguracje manipulatora SCARA
Poniżej zilustrowano poszczególne modele robotów w których manipulator posiada strukturę SCARA. Podano również nazwę i producenta robotów. RH-5AH firmy MITSUBISHI SRX600 firmy SONY YK500XP firmy YAMAHA YK1000X firmy YAMAHA AdeptOne firmy ADEPT
KLASYFIKACJA NA PODSTAWIE WŁASNOŚCI GEOMETRYCZNYCH MANIPULATORY RÓWNOLEGŁE O ZAMKNIĘTYM ŁĄŃCUCHU KINEMATYCZNYM Przykładem robotów posiadających zamknięty łańcuch kinematyczny są roboty równoległe. Zostały one skonstruowane w celu poprawienia niezawodności i szybkości działania. Przykład robota równoległego został przedstawiony poniżej jest to robot IRB 340 firmy ABB. Zasada działania tego typu robotów opiera się na idei odpowiednio zaprojektowanych ramion robota. Użycie tych ramion pozwala ustawić pozycję i orientację ruchomej platformy.
Tego typu roboty znalazły zastosowanie miedzy innymi w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym oraz elektronicznym. Poniżej zaprezentowano praktyczne zastosowanie robotów równoległych w przemyśle spożywczym do układania i pakowania ciastek. Interesującym zastosowaniem takich robotów jest również ich wykorzystanie w medycynie. Zadaniem tych robotów jest przenoszenie i odpowiednie ustawienie ciężkiego mikroskopu używanego do przeprowadzania skomplikowanych operacji chirurgicznych.