Kulcsar_Robottechnika_1

8/10/2019 Kulcsar_Robottechnika_1

1/210


2/210

A projekt cme: Egysgestett Jrm- s mobilgpek kpzs- s

tananyagfejleszts

A megvalsts rdekben ltrehozott konzorcium rsztvevi:

KECSKEMTI FISKOLA

BUDAPESTI MSZAKI SGAZDASGTUDOMNYI EGYETEM

AIPA ALFLDI IPARFEJLESZTSI NONPROFIT KZHASZN KFT.

Fvllalkoz:TELVICE KFT.
http://www.kefo.hu/http://www.kefo.hu/http://www.bme.hu/http://www.bme.hu/http://www.bme.hu/http://www.bme.hu/http://www.bme.hu/http://www.aipa.hu/http://www.aipa.hu/http://www.telvice.hu/http://www.telvice.hu/http://www.telvice.hu/http://www.telvice.hu/http://www.aipa.hu/http://www.bme.hu/http://www.kefo.hu/


3/210

rta:

KULCSR BLA

Lektorlta:

FILEMON JZSEFN

ROBOTTECHNIKA I.

Egyetemi tananyag

Budapesti Mszaki s Gazdasgtudomnyi EgyetemKzlekedsmrnki s Jrmmrnki Kar

2012


4/210

COPYRIGHT: 2012-2017, Dr. Kulcsr Bla, Budapesti Mszaki sGazdasgtudomnyi Egyetem Kzlekedsmrnkis Jrmmrnki Kar

LEKTORLTA:Dr. Filemon Jzsefn

Creative Commons NonCommercial-NoDerivs 3.0 (CC BY-NC-ND 3.0)A szerz nevnek feltntetse mellett nem kereskedelmi cllal szabadonmsolhat, terjeszthet, megjelentethet s eladhat, de nem mdosthat.

ISBN 978-963-279-625-3KSZLT: aTypotex KiadgondozsbanFELELS VEZET:Votisky Zsuzsa

TMOGATS:Kszlt a TMOP-4.1.2.A/2-10/1-2010-0018 szm, Egysgestett jrm- s

mobilgpek kpzs- s tananyagfejlesztscm projekt keretben.

KULCSSZAVAK:

Robot fogalma, helyezberendezs, manipultor, teleopertor, programszelekci,

programadaptci, robot munkatr, robotmechanika, robothajtsi rendszerek,szenzorikai rendszerek, tmegkiegyenltsi rendszerek, robotdinamika, inverz sdirekt feladat, robotirnyts, koordinta transzformcik, DenavitHartenberg-transzformci, robotprogramozs, orvostechnikai robotok, robotvizsglat,robotalkalmazs.

SSZEFOGLALS:

A robottechnika a mszaki tudomnyterlet egyre szlesebb gyakorlatijelentsggel br ga, amely tbb ponton kapcsoldik ms tudomnygakhoz, pl. amatematikhoz s az informatikhoz. Mint eszkzrendszer a termelsi folyamatok

automatizlsra fejldtt ki. Ltrejttt a fejlett ipari llamok ipari termelsvolumennek nvekedst akadlyoz munkaer gondok, a termelkenysgnvelsnek ignye, a minsgre val fokozott trekvs, az egszsgre rtalmas sveszlyes munkahelyeken az emberi munka kivltsra irnyul szocilis ignyeksegtettk el.A knyv a fent krvonalazott feladatoknak s kvetelmnyeknekmegfelel robottechnikai ismereteket foglalja ssze. ttekinti a robotok kialakulst,a robotok kialakulsnak tudomnyos mszaki s trsadalmi httert, a robotokfogalmi meghatrozst, a robotok felptst, a robotok irnyt rendszert, arobotok programozst, a robotok alkalmazst s a robotok vizsglatt. Tartalmifelptst tekintve tanknyvnek kszlt, de a robotalkalmazs s robotzemeltets,illetve a kutats-fejleszts terletn dolgoz mrnkk hasznos elmleti s

gyakorlati ismereteket tallnak benne. A knyv tartalmi strukturldsa a deduktvelvet kveti, gy BSc alapkpzsben s MSc mesterkpzsben rszt vev hallgatkis elegend mlysg ismeretanyagot sajtthatnak el.
http://www.typotex.hu/http://www.typotex.hu/http://www.typotex.hu/http://www.typotex.hu/


5/210

Kulcsr Bla, BME www.tankonyvtar.hu

TARTALOM

BEVEZETS ...................................................................................................... 7

1. A ROBOTOK KIALAKULSNAK TTEKINTSE ............................... 9

2. A ROBOTOK KIALAKULSNAK TUDOMNYOS, MSZAKI STRSADALMI HTTERE (Httranyag) ................................................ 19

3. ROBOTOK FOGALMI MEGHATROZSA ........................................... 23

3.1. Robotok funkcionlis elemzse ............................................................. 25

3.1.1. Manipultor .......................................................................... 26

3.1.2. Teleopertor .......................................................................... 28

3.1.3. Helyezberendezs .............................................................. 30

3.1.4. Ipari robotok ......................................................................... 31

3.2. Robotok csoportostsa .......................................................................... 34

3.3. Ellenrzkrdsek ................................................................................ 35

4. ROBOTOK FELPTSE ............................................................................ 38

4.1. Robotok mechanikai rendszernek koordintarendszerek szerintifelptse, robotmechanikk .................................................................. 38

4.1.1. Derkszgkoordintarendszerrobot ................................ 38

4.1.2. Henger koordintarendszerrobot (RTT) ............................ 414.1.3. Gmbi koordintarendszerrobot (RRT) ............................ 43

4.1.4. Csuklskaros robotok ........................................................... 45

4.1.5. Robotplatformok lineris (transzlcis) mozgsokbl ......... 57

4.1.6. A robottechnika mechanizmuselmleti krdsei .................. 62

4.2. Robotok munkatere ............................................................................... 73

4.3. Robotkarok tmegkiegyenltrendszerei ............................................ 103

4.3.1. Ellensllyal val tmegkiegyenlts ................................... 104

4.3.2. Rugs tmegkiegyenltmechanizmus .............................. 110

4.4. Robotok hajtsi rendszerei .................................................................. 120

4.4.1. Pneumatikus hajtsi rendszerek .......................................... 121

4.4.2. Hidraulikus hajtsi rendszerek ........................................... 125

4.4.3. Villamos hajtsi rendszerek ................................................ 131

4.5. Robotok megfog szerkezetei ............................................................. 149

4.5.1. Erzr megfogs ............................................................... 151

4.5.2. Alakzr megfogs ............................................................. 155


6/210

6 ROBOTTECHNIKA I.

www.tankonyvtar.hu Kulcsr Bla, BME

4.5.3. Robotmozgs dinamikai jelensgei s a megfogszerkezet megfogsi biztonsga .......................................... 159

4.5.4. A megfogand munkadarabok mretnek hatsa a

megfog szerszmkzppontjnak helyzetre .................... 167

4.5.5. Egyb megfog szerkezetek ............................................... 180

4.6. Robotok szenzorikai elemei ................................................................ 181

4.6.1. Belsszenzorok ................................................................. 183

4.6.2. Klsszenzorok ................................................................. 192

4.7. Mobil robotok felptse s jellemzi ................................................. 193

4.8. Ellenrzkrdsek .............................................................................. 201

IRODALOMJEGYZK.................................................................................. 203


7/210


BEVEZETS

Az 1970-es vekben tnt fel s hamarosan nll tudomnyterlettvlt a robottechnika. A mszaki tudomnynak e tudomnyterlet egyre sz-lesebb gyakorlati jelentsggel br ga, amely tbb ponton kapcsoldik mstudomnygakhoz, pl. a matematikhoz s az informatikhoz. A robottech-nika, mint eszkzrendszer a termelsi folyamatok automatizlsra fejldttki. Ltrejttt elsegtettk a fejlett ipari llamok ipari termels volumennek

nvekedst akadlyoz munkaer gondok, a termelkenysg nvelsnekignye, a minsgre val fokozott trekvs, az egszsgre rtalmas s vesz-

lyes munkahelyeken az emberi munka kivltsra irnyul szocilis ignyek.A knyv a fent krvonalazott feladatoknak s kvetelmnyeknek meg-

felelrobottechnikai ismereteket foglalja ssze. Tartalmi felptst tekintvetananyagnak kszlt, de haszonnal hasznlhatjk azok a mrnkk, akik arobotalkalmazs s robotzemeltets, illetve a fejleszts terletn dolgoznak.A knyv tartalmi strukturldsa a deduktv elvet kveti, gy BSc alapkp-zsben s az MSc mesterkpzsben rszt vevhallgatk is elegendmlys-

gismeretanyagot sajtthatnak el.A knyv kt ktetbe szerkesztett. Az els ktet a bevezetsen kvl

ngy fejezetre tagozdik. Az elsfejezet a robotok kialakulst tekinti t. Amsodik fejezet a robotok ki-alakulsnak tudomnyos mszaki s trsadal-mi httert elemzi. A harmadik robotok fogalmi meghatrozsa fejezet arobotok funkcionlis elemzst s csoportostst ismerteti.

A robotok felptsefejezet a robot, mint mechanikai szerkezet felp-tst, kinematikai, dinamikai s hajtstechnikai jellemzit elemzi.

A msodik ktet szintn ngy fejezetet foglal magba. A robotok ir-

nyt rendszerefejezet a robotok belsadatfeldolgozsnak lekpezst tr-gyalja a programozott plya adatoktl a csukl-mozgats szgelforduls ada-

tainak realizlshoz, figyelembe vve a nyomatk-kpzst s a hajtsszab-lyozst, illetve a perifrik mkdst s ms irnyt rendszerhez val il-lesztst. A robotok programozsa fejezet azokat a programozs-technikaimdszereket ismerteti, amelyek segtsgvel a robot ltal befutand plyaadatok elllthatk.

A robotok alkalmazsafejezet a robotok ipari alkalmazsnak jellegze-tessgeit ismerteti. A robotok vizsglata fejezet azokat a vizsglati mdsze-reket s eszkzket foglalja ssze, amelyek segtsgvel a robotok minst-hetk s zemeltetsk meghatrozott felttelek mellett biztosthat.


8/210

8 ROBOTTECHNIKA I.


A knyv anyagnak alapjt a Budapesti Mszaki Egyetemen "Robotoks vizsglatuk" cmmel tartott eladsaim, illetve e tren vgzett kutatsaimkpezik. Az eladsok idterjedelme sok lnyeges elmleti s gyakorlati

tananyagrsz trgyalst nem tette lehetv, azta olyan j kutatsi s fej-lesztsi eredmnyek szlettek s kerltek nyilvnossgra, amelyek ismerett

a 21. szzad mrnke nem nlklzheti.Szeretnk ksznetet mondani azon kollgknak, akik biztattak a

knyv megrsra, tancsaikkal s rdekldskkel segtettk munkmat.Ksznettel tartozom a knyv brljnak lelkiismeretes munkjrt s hasz-nos tancsairt.

Kvnom, hogy a hallgatsg s a gyakorlatban dolgoz mrnkk ha-szonnal forgassk a knyvet.

Budapest, 2011. mrcius

Dr. Kulcsr Bla


9/210


1. A ROBOTOK KIALAKULSNAK TTEKINTSE

A trtnelemben s az irodalomban jra s jra felbukkantak olyan szem-lyisgek, akik az embert meg akartk alkotni. Ie. I. sz.: Heron az Automatasznhz c. munkjban lerja egy mechanikus sznhz modelljt, amelybenkizrlag fogaskerekekkel, emelkarokkal s csigkkal mozgatott bbukszerepelnek. Az t felvonsos szndarab a trjai egy epizdjt eleventi fel;miknt llt bosszt Naupliosz a grgkn, akik megkveztk fitPalamdszt. Ugyancsak ie. I. szd. ban Homros az Ilias-ban rt arrl, ho-gyan igyekeztek az istenek kpmst teremteni maguknak. Az emberutnza-

tok legismertebb pldja Paracelsus (1493-1541) Homunculus-a. Ahumunculus a kzpkori alkimistk tantsa szerint, tisztn kmiai eljrssal,laboratriumban elllthat mestersges ember. Liwa ben Bezalcel(1552 1612) prgai rabbi megalkotja a GLEM et, amely nem ms, mint egyagyagbl, vzhordsra s favgsra gyrt szolga 1.1. bra. A Glemet gykeltettk letre, hogy egy kabbalisztikus varzsszavakkal telert pergamenlapot tettek a szjba. A pldk sort zrjuk most Mary Shelley Frankenstein-jvel (1818).

1.1. bra

A mestersges lnyekhez kapcsold trtnetek gyakran ijesztvgetrnek, az ember kiszolgltatottjv lesz sajt teremtmnynek. Ezek a gon-dolatok mindennaposak a mai utpikus s fantasztikus filmekben is


10/210

10 ROBOTTECHNIKA I.


Az emberi intelligencia mestersges ltrehozsnak tlete a technikavilgban kevss jratos emberekben ijedtsget, flelmet vlt ki. Horror- sutpiafilmek valsgosknt brzolnak olyan emberszabs robotokat

(androidokat), amelyek nll gondolkodsuk s cselekvsk rvn az em-berek felett llnak. Szrnyeket, akik a vilgot uraljk s az embert szolga-sorban tartjk, nem utols sorban azrt, mert a termszet, vagy ms felshatalom gy fizet vissza az elkvetett vtkekrt.

A technika mai llst tekintve, mg igen messze vagyunk ilyen te-remtmnyek ltrehozsnak lehetsgtl. Van azonban nhny olyan kr-ds, amely mr ma is gondolkodsra ksztet: kpes-e a mestersgesen el-lltott intelligencia a munkafolyamatokban az embert helyettesteni.

Mr a 17. s 18. szzadban is voltak olyan ezermesterek, akik nem az

ember lnyt akartk lemsolni, hanem olyan - klsejben emberhez hasonl- szerkezetet ksztettek, amely az ember mindennapi munkjt megknny-tette.

A 18. szzadban kt igen hres automata kszlt. 1700-ban PrizsbanJacques de Vaucanson elszr megptett egy zenlmechanikus babt. Ababa egy ember nagysg fuvolajtkos, ami a fuvolt szjhoz tartva, fjtas ujjaival meghatrozott sorrendben vltogatta a hangszer billentyit, s 11klnbz meldit tudott eljtszani. 1738-ban kszlt el a msodik hresautomataknt a hpog kacsa 1.2. bra, amely meglehetsen vltozatos moz-

gsokra volt kpes. Nemcsak hpogott s dlnglve lpegetett, hanem sz-klt s lubickolt is a vzben. Tovbb ivott a vzbl, szemeket csipegetett sszimullni is tudta az emszts vgtermkt, bzs golyk kibocstsval.

1.2. bra


11/210

1. A ROBOTOK KIALAKULSNAK TTEKINTSE 11


Pierre Jaquet-Droz svjci rs, 1772-ben alkotta meg az "r"-t. Ez egyfi alak volt, amely tollat tintba mrtva Ren Descartes hres mondatt ve-tette paprra: "Gondolkodom, teht vagyok" (1.3. bra). Az automata a htn

elhelyezett trcsa segtsgvel 40 karakternl nem hosszabb szvegekre voltprogramozhat. A mester a kvetkezkt vben megalkotta az "r" prjt, a"tervez"-t, amely cserlhetbtykk segtsgvel klnbzrajzokat tudottkszteni. Br nem kapott az elzketthz hasonl publicitst, itt kell meg-emlteni a magyar Kempelen Farkas udvari tancsos sakk-automatjt.

1.3. bra

Kempelen Farkas valszn, hogy a ks barokk kor embereinek azrkrt s a felhzhat llat- s babafigurkrt val lelkesedst hasznlta ki.Maga a sakk-automata egy trknek ltztetett baba, amely keresztbe rakottlbakkal l egy doboz formj asztal eltt, amelyen a sakktbla, rajta a sakk-figurkkal, helyezkedik el. A mozgsokat bonyolult kerkrendszerek s ru-dak tovbbtottk, amelyet az asztal zrt rekeszben megbjt igazi sakkjt-kos mkdtetett. Valjban teht nem a gp jtszott, de akkor ilyen szerkezet


12/210

12 ROBOTTECHNIKA I.


ptse nagy mszaki teljestmnynek szmtott. A gp lerst Kempelen1791-ben tette kzz 1.4. bra.

1.4. bra

Az automatk ptse a 19. szzadban is folytatdott. Ezek kz tarto-zik az 1805-ben H. Millardet ltal konstrult kpet festmechanikus baba.Emberformja volt a George Moore "szalad mozdony"-nak is, amelyet1893-ban Amerikban ptett meg. A belsejben elhelyezett gzgp mozgat-ta a lbakat, jrsa mintegy ktszer olyan gyors volt, mint az tlag-ember.

Lthatjuk teht, hogy a robotok elfutrai mr rgen meg voltak, csak

korbban nem sikerlt a mr megptett gpeket hasznos dolgokra alkalmaz-ni. A tervezs tovbb folyt, ha mr sikerlt egyes llnyek mozgst g-pekkel megvalstani, mirt ne sikerlhetve ezeket az emberi manulis tev-kenysgek kivltsra felhasznlni.

Ma mr valsgg vlt, hogy egyre bonyolultabb manulis tevkeny-sgeket robotokkal, sokkal sszerbben lehet elvgeztetni, mint emberekkel.A gpek a nap 24 rjban, a ht 7 napjn egyformn nagy termelkenysg-gel kpesek dolgozni.


13/210



A kezdeti prblkozsok a digitlis szmtgpek, a korszerelektro-nikai elemek s az informatika megjelensvel j fejldsi irnyt vettek,amelynek flpseit az albbiakban lehet sszefoglalni:

1946. G. C. Devol kifejleszt egy villamos jelek feldolgozsra alkalmasvezrlberendezst, amelyet ksbb mechanikus berendezsek vezr-lshez alkalmaznak.

1951. Goerzt s Bergsland kifejleszti a teleopertort (amerikai szabada-lom).

1954. C. W. Kenwart egy robotfejlesztsi szabadalmat nyjt be (kt ka-ros, portl, snen mozg robot).

1959. Megjelenik az elssorozatgyrts ipari robot, a Planet Corpora-tion fejlesztsben.

1960. Az elsUnimate robot (szmjegyes vezrls, hidraulikus hajts).

1966. A Trallfa cg kifejleszti s installlja az elsfestrobotot.

1971. Kifejlesztik a Stanford kart, amely egy tisztn villamos hajts

kisrobot, a PUMA sorozat elfutra.

1973. Az els ksrleti robotprogramozsi nyelv a SIRI s a WAVE,amit az AL nyelv kvetett. Mindkt nyelv a Scheimann s Shimano l-tal kifejlesztett VAL robot-programozsi nyelvhez vezetett.

1974. Az ASEA bevezeti az Irb6 villamos hajts robotot, a CincinnatiMilacron cg pedig zembe helyezi a T3 robotot.

1975. Az elsszerelsi mvelet Olivetti SIGMA robottal.

1976. A Charles Draper laboratriumban kifejlesztik a rugalmas csuk-lt, szerelshez.

1978. Az Unimation PUMA sorozatnak a bevezetse.

1979. A Yamanashi Egyetem kifejleszti a SCARA robotot.


14/210

14 ROBOTTECHNIKA I.


1981. A robotok direkt hajtsnak kifejlesztse a Carnegi - Mellon

Egyetemen.

1984. A Waseda Egyetemen kifejlesztik a WABOT-2 antropomorphrobotot 1.4. bra.

1.4. bra

1985. Vilgmretben elkezddik az autonm mobil robotok s a harc-

szati robotok a fejlesztse. Megjelenik a robotok harmadik genercija.

1995. Megjelennek a klnbz robot platformok, ezek kztt - jelen-

tsgt tekintve - kiemelkedik, az n. prhuzamos robot.

1995. Megjelennek a klnbzmozgsokat (fknt emberi mozgso-

kat) lekpezrobotok 1.5.- s 1.6. brk.


15/210



1.5. bra

1.6. bra

1998-ban az Amerikai Egyeslt llamokban szabadalmaztatjk a robo-tok orvosi alkalmazst (US Patent 005762485A 1998. Jun. 9.) 1.7.

bra.


16/210

16 ROBOTTECHNIKA I.


1.7. bra

A fent lertak azt mutatjk, hogy a robottechnika egy interdiszciplinristudomnny vlt, hiszen valamilyen gpi berendezs automatikus zemmd-ban mkdik. Az automatikus mkdst ltalban programozhat, irnytrendszerek biztostjk. Az irnyt rendszerek az ltaluk mozgatott, munktvgz gpi berendezshez informatikailag ktflekppen is kapcsoldnak;egyrszt a berendezsek mozgsllapotrl informcikat gyjtenek, ms-rszt mozgsuk indtsa, tovbbi fenntartsa vagy meglltsa rdekbenparancsokat adnak. Ezek a kapcsoldsi platformok nem egyik naprl a m-sikra teremtdnek meg. Mind a mai napig folytonosan fejlesztssel biztost-jk, hogy az elektronika s az informatika legjabb eredmnyei a robotot,mint automatizlsi eszkzt, s mint technolgiai berendezst a 21. szzadcscstechnolgijnak meghatrozjv tegyk. A trtnelmi ttekintsbllthat, hogy 1985 utn viszonylag hosszabb id telt el lnyegi ipari jdon-sg megjelense nlkl. Az 1995-s v hozott csak lnyegesebb elrelpst.Ennek oka inkbb a gazdasgi s a trsadalmi viszonyok akkori alakulsbankeresend.

Az 1995-s v a SEF cg az u.n. TRICEPT robot tpusnak meg-jelensvel forradalmastotta a technolgit. A fejleszts irnya ma is az,hogy a robot - intelligencia szintjnek nvelsvel - hogyan tudja a munka-folyamatokban az embert helyettesteni, az emberi karral vgezhetmvele-teket miknt lehet gy kivltani, hogy a robot a krnyezeti felttelek vltoz-saihoz is adaptldjon.


17/210



A robotok fent lert struktrja az 1.8. brn foglalhat ssze. Funkci-onlis egysgeit tekintve az albbi rszekbl ll:

- robot mechanika,- hajt egysg,- robot megfog szerkezet,- szenzorikai elemek,- irnyt rendszer a szoftverekkel.

Krnyezeti stechnolgiaiszenzorok

Megfog szerkezet

Robot mechanika Hajt rendszer

Hajts szenzorai(tmrk, szgadk,nyomatk adk stb.)

Robot irnytrendszer

Informatikai kapcsolat

Mechanikai kapcsolat

Megfog szenzorai(erszenzorok, fel-leti nyoms r stb.)

1.8 bra

A robotmechanika egy gpszerkezet, amely ltalban az emberi karmozgst lekpezmechanikai szerkezet, vagy az ember ltal vgzett mun-kafolyamat mozgsait realizl egyb gpszerkezet. Egy, a karmozgst lek-pezszerkezet drtvz modelljt mutatja az 1.9. bra.


18/210

18 ROBOTTECHNIKA I.


Kar 1

Kar 2

Forgat egysg

Kar mozgatsKar mozgats

Kar forgstengelye

Kar forgstengelye

llvny

1.9. bra

A robotok legdinamikusabban fejld rsze az irnyt rendszer, ahardver s a szoftver egyttesen. Az irnytrendszer s a robotmechanika

fejldse klcsnsen hat egymsra ezzel konstrukcijban, alkalmazhat-sgban, kezelhetsgben s tudsban egyre fejlettebb, intelligensebb be-rendezsek llthatk el.


19/210


2. A ROBOTOK KIALAKULSNAK TUDOMNYOS, MSZAKIS TRSADALMI HTTERE (Httranyag)

* 1943-1946 a pennsylvaniai egyetemen (Moore School) elkszl azels elektronikus kivitel szmolgp az ENIAC (Elekctonic NumericalIntegrator and Calculator). NEUMANNJnos a szmtgp fejlesztsbe1943-tl kapcsoldik be. A szmtgpet 1956-ban - kifogstalan mkdseellenre - elavult volta miatt lebontottk. A mai fogalmak szerint a gp vi-szonylag lass volt, azonban 1946-ban hihetetlenl gyors gpnek szmtott.

- A jelenlegi szmtgpektl eltren nem volt a mai rtelemben vettmemria egysge, trolsi clokra elektroncsves felptett 20 db.

egyenknt tz decimlis jegyre terjedszmll lnc szolglt.

- Az 1946-os mszaki sznvonal s a fejlesztsi kltsgek szinte korlt-lan volta az albbi mszaki jellemzket eredmnyezte:

70 m2alapterlet,18.000 elektroncs,1.500 jelfog,150 [kW] teljestmny.

*1947-1948J. NEUMANNs H. GOLDSTINEmegbzst kapnak ve-zet katonai krktl azoknak az elvi problmknak a tanulmnyozsra,amelyek a numerikus szmtsok elektronikus eszkzkkel val elvgzs-nl felmerlnek. Eredmnyeiket 1947-ben s 1948-ban bizalmas jelentsformjban zrt krben publikltk. Az 1947-es els jelentsben megfogal-mazott konstrukcis elvekre vonatkoz kvetelmnyek az albbiak voltak:

- Szksg van prhuzamosan mkdMEMRIAEGYSG-re, amely

szmokat s utastsokat tud trolni,- Szksg van VEZRLEGYSG-re, amely klnbsget tud tenni aszmok s utastsok kztt,

- Szksg van egy prhuzamos mkdsARITMETIKAI EGYSG-re,amely binris rendszer sszeadsra, kivonsra, szorzsra s osztsraalkalmas,


20/210

20 ROBOTTECHNIKA I.


- Szksg van egy olyan KIMEN-BEMEN EGYSG-re, amely ttudja hidalni a gp gyors memriaegysge s a lass emberi memriakztti sebessgklnbsget.

* 1947-1948 a princetoni egyetemen (Institute for Advanced Study)elkezddik a NEUMANN-GOLDSTINE elv alapjn egy jabb, az EDVAC(Electronic Discrete Variable Calculator) elnevezs szmtgp kivitelez-se, amely az els mai rtelemben vett elektronikus digitlis szmtgpnektekinthet, de a kvetelmnyeket egszkben, csak 1960-ra sikerlt megol-dani.

*1948 a tranzisztorramkri ptelem lesz. - A flvezet-technika te-

rletn vgzett kzel hszves vilgmretkutats utn az USA-ban, a BellLaboratriumban John BARDEN, Walter Huser BRATTAIN s Williem

SHOKLEYamerikai tudsoknak sikerl a tranzisztort technikailag alkalmaz-hat erstramkri elemm fejleszteni.

* 1952 egy amerikai replgpgyr felkrsre elkszl az NC-gpprototpus vltozata a MIT (Massachusetts Institute of Technolgy) laborat-riumban. Az alkatrszek programozsa APT alap programnyelvre pl.

* 1954 J. W. BACKUS kidolgozza a FORTRAN (formula translator)programozsi nyelvet.

* 1955az USA-ban a Bell Laboratories trsasgnl zembe lltjk avilg els, tranzisztorokkal kszlt szmtgpt, J. H.Felker TRADIC-jt.Az elektroncsvek helyett tranzisztorokkal felszerelt szmtgpek msodikgenercis szmtgpekkntvltak ismertt.

* 1956John von NEUMANNa Connecticut llambeli New Haven-ben

lvYale Egyetem felkrsre a SILIMAN-el

adsokra kszlve sszefog-lalja a szmtstechnika tern vgzett addigi kutatsait, amelyet Szmtgp

s az agycmmel kvnt kiadni. Ezzel lefektette a mestersges intelligenciakutatsnak alapjait. Sajnos megrendlt egszsgi llapota mr nem tettelehetv, hogy a SILIMAN-eladsokat megtartsa, kziratai alapjn csakfelolvastk helyette. Az elads sorozat sem volt teljes, mert slyos betegs-ge abban is magakadlyozta, hogy valamennyi eladsnak kziratt elk-sztse. 1957. februr 8-n bekvetkezett hallig mr nem is hagyta el a was-hingtoni Walter Reed krhzat.


21/210

2. A ROBOTOK KIALAKULSNAKHTTERE 21


* 1958a Texas Instruments cgnlJack S. KILBYelkszti az elsin-tegrlt ramkrt, amit chip-nek, neveznek. (A gondolat mr 1952-ben felve-tdtt a Royal Radar Establishment Intzetnl).

* 1959-ben a Prizsban tartott 6. eurpai szerszmgp killtson el-szr Eurpban is bemutattk a NC-szerszmgpet. Az 1967-es Hannover-ikilltson mr tbb mint 200 hasonl NC-gpet mutattak be. Ezzel a szm-tgpi elv az ipar szmra egy olyan automatizlsi eszkzt terem-tett,amely gykeresen talaktotta az ipari termelsi folyamatokat.

* 1959 megjelenik az elssorozatgyrts ipari robot.

* 1961 a nmetorszgi IBM bemutatja a Tele-Processing eljrst. Ez-zel az eljrssal a telefonon kzvettett adatok szmtgppel tovbb feldol-gozhatk. Az a lehetsg, hogy a szmtgpeket telefonhlzat segtsg-vel, egymssal sszektik, az elektronikus adatfeldolgozs j hatrt lpte t.

* 1962elkszlnek azok a szmtgpek, amelyekben mini tranziszto-rokat s didkat alkalmaztak. Ezzel megjelenik a szmtgpek harmadikgenercija.

* 1965Eurpban elsknt Nyugat-Berlinben helyeznek zembe kz-lekedst irnyt szmtgpet. Az irnyt rendszer az ttestben el-helyezett

indukcis hurok segtsgvel adatokat gyjt a forgalomrl s ennek megfele-len kapcsolja a kzlekedsi lmpkat, a rendszer teht egy folyamatoptima-lizlst is vgez.

* 1968 a miniatrizlt integrlt ramkrknek a szmts- s adat-feldolgoz technikban trtnt bevezetsvel kialakul a szmtgpek ne-gyedikgenercija.

* 1969 az amerikai APOLL Holdra szllsi program keretben fej-lesztette ki a szmtgpipar az els n. ADATBANK rendszert. Az adat-bank rendszerrel lehetv vlt klnbz munkaterletek s szakterletekszles kreinek legfontosabb informciit elraktrozni s a felhasznli jo-gosultsgokat meghatrozni.

* 1971 megjelenik a Texas-Instruments cg fejlesztsben a MIK-ROPROCESSZOR.


22/210

22 ROBOTTECHNIKA I.


* 1983megjelennek a szemlyi szmtgpek s ezzel kezdett vesziaz irodai automatizls.

* 1983a Volkswagen Mvek Wolfsburg-i gyrban zembe helyezikaz jonnan felszerelt vgszerelcsarnokot, ahol tlnyomrszt robotok dol-

goznak. Ez az elsllomsa annak a folyamatnak, amely a vilg tbb orsz-gban Ameriktl - Japnig ltrehozta - hacsak rszfeladatokra is - az auto-matizlt gyrak fel vezet utat, amely tvezet a XXI. szzadba, nem kistrsadalmi feszltsget keltve.

* 1994. janur 25. Egytt kell dolgoznunk a magnszektorral, hogy2000-re Amerika minden osztlyt, minden knyvtrt, minden krhzt

bekssk egy nemzeti informcis plyba. Idn felkrem a Kongresszust,hogy hozzon trvnyt az informcis szuper orszgt ltrehozsra. (B.Clintonelnki szzata az Egyeslt llamokhoz).

* 1994. jlius 15. EUROPE and the Global Information Society.(Eurpai vlasz a Clinton-i felhvsra az n.Bangemann-fle jelentsben).

A 21. szzad az informci szzada, ennek j kzmvei a szmt-gpes hlzatok, informatikai s automatikai rendszerei kt vvel a szzad-

ba val belps eltt nagy elmaradst mutat pedig a trsadalom fejl

dsnekalapjt kpezi. Stratgiai s operatv dntsek akr termelsi, akr a trsada-

lom ms szfrjnak szintjn nlklk nem hozhatk meg. A felvzolt ered-mnyek ssztrsadalmi hatsa a tudomny egyb eredmnyeivel olyan trsa-dalmi tstrukturldst eredmnyez, amelynek hatsa globlis mret, smegindul a Globlis Informcis Trsadalom (GISGlobal Information So-ciety)kialakulsa.


23/210


3. ROBOTOK FOGALMI MEGHATROZSA

A robot megnevezst a cseh robota szbl vezetik le, ami munktjelent. Karel apek cseh drmar, - az 1920-ban rt utpisztikus tragikom-dijnak - aRossums Universal Robots (RUR) cmsznmvnek megjele-nse s bemutatsa utn terjedt el a fogalom. A darabban a robotok gpiszrnyek voltak, amik hasonltottak az emberre s fellzadtak megalkotikellen, megltk ket s tvettk a fldn a hatalmat. A sznmbeli robotokktszer annyit tudtak dolgozni, mint az emberek. A Karel apekRUR figu-rjt a 3.1. bra mutatja.

3.1. bra


24/210

24 ROBOTTECHNIKA I.


Sokig vita trgya volt a robotok emberekhez val viszonya, illetveandroid tulajdonsgnak hatra. Mg 1977-ben is felmerlt az android tu-lajdonsg, mint targonct vezetrobot 3.2. bra.

3.2. bra

A fogalommal kapcsolatos vitt 198l-ben a VDI (Nmet MrnkkEgyeslete) zrta le, amikor egyrtelmen leszgezte, hogy az ipari robotoknem androidok s az azta vilgviszonylatban elfogadott defincit adta,amelyet a VDI 2860 irnyelvben is rgztett. E szerint: az ipari robot univer-zlisan llthat tbbtengely mozg automata, amelynek mozgs-egymsutnisga (utak s szgek) szabadon - mechanikus beavatkozs nl-kl - programozhat s adott esetben szenzorral vezetett, megfogval, szer-

szmmal vagy ms gyrt eszkzzel felszerelhet, anyagkezelsi s techno-


25/210

3. ROBOTOK FOGALMI MEGHATROZSA 25


lgiai feladatra felhasznlhat. A tengelyek alatt a programozott mozgsokatkell rteni (a tbb tengely, tbb programozott mozgst jelent).

3.1. Robotok funkcionlis elemzse

Az ipari robotok mechanikai szerkezetei az anyagkezel berendez-sekbl fejldtek ki, ezrt a tovbbiakban az ipari robotok fenti definci sze-rinti funkcionlis elemzst mutatjuk be. Az anyagkezel berendezsek ffunkcionlis egysgei a VDI 2860 szerint:

- trol berendezs,- levlaszt berendezs,- mozgat berendezs,- tart berendezs,- vizsgl berendezs

amit a 3.3. bra mutat.

Alapkritrium:ffunkci

ANYAGKEZEL

BERENDEZSEK

Trolberendezs berendezs berendezs berendezs berendezs

Levlaszt Mozgat Tart Vizsgl

Szalag

Paletta

Tr

Egyestberendezs

Eloszt

Vlt

Forgatberendezs

Rendez

berendezsIpari robot

Markol(megfog)

Felvev

Szort

VizsglberendezsMreszkz

Szenzor

3.3. bra

A mozgatberendezs tovbbi elemzst a 3.4. bra mutatja. A funkci-onlis elemzs alapja a mozgatberendezs funkcijnak sokflesge, tehtannak meghatrozsa, hogy a mozgsi lehetsgek vltoztathatk-e, vagyrgztettek-e. Amennyiben a mozgs tartalma vltoztathat, meg kell vizs-


26/210


27/210



vagy ms teherfelvevelemmel rgztheta manipultor karhoz. A mozga-tand anyag rgztse utn a manipultor karon lv foganty segtsgvel,kzi erkifejtssel, az anyag a clhelyzetbe juttathat. A manipultor fdm-

re fggesztett formban is kivitelezhet.

3.5. bra

A nagyteherbrs manipultorok esetn a mozgatand anyag pontosirnytott pozciba helyezst kzvetlen programozssal gpi ton oldjkmeg. Ilyen megoldst mutat a 3.6. bra.


28/210

28 ROBOTTECHNIKA I.


3.6. bra

3.1.2. Teleopertor

A teleopertor tvirnytott manipultor. A tvirnytst vgezhetjkrudazattal, vagy joy-stick rendszer ertviteli rendszerrel. Fleg ott alkal-mazzk, ahol az anyagmozgatsi vagy a technolgiai munkatr az emberszmra veszlyes. A kezel rszre ekkor egy figyelablakkal elltott her-metikusan zrt kezeltermet alaktanak ki, ahonnan a munkatr belthat. Ateleopertorok master-slave rendszerben dolgoznak, ahol a kezelltal moz-


29/210



gatott irnyt karok a master rsz, a vgrehajt szerkezet pedig a slave be-rendezs. Egy master-slave rendszert mutat a 3.7- s 3.8. bra.

3.7. bra

3.8. bra


30/210

30 ROBOTTECHNIKA I.


3.1.3. Helyezberendezs

Amennyiben a programvezrls csak egyetlen mozgsciklus vgre-hajtsra alkalmas, helyez berendezsrl beszlnk. A helyezberendez-sek olyan mozg automatk, amelyek mozgsai, mozgsegyms-utnisga(tja s/vagy szge) egy mereven megadott program szerint fut le s mecha-nikus behats nlkl nem vltozik meg. ltalban megfog-szerkezettel vanfelszerelve. Felptst a 3.9. bra mutatja.

A

B C

D

h

l

TCP

a0 a1

b0

b1

Pneumatikus henger A

llvny szerkezet

Munkatr

Mozgat egysg

Helyzetrzkel

HelyzetrzkelMozgategysgPneumatikus henger B

3.9. bra

A mereven megadott program a 3.5. bra kt mozgsciklusa alapjnazt jelenti, hogy az ABC mozgstvonal ADC-re val megvltoztatsa azirnytrendszer fizikai sztbontst s egy j sszeptst kveteli meg.Ilyen irnytrendszerek a pneumatikus logikkkal realizlt vezrlsek s ahuzalozott rels logikra plvezrlsek.


31/210



3.1.4. Ipari robotok

Az ipari robotok defincijbl kvetkezik a mechanikus beavatkozsnlkli tprogramozhatsg. Az tprogramozhatsg (programmdosts,vagy programbefolysols) tbbfle mdon vgrehajthat. Ezek a lehets-gek a robot fejlettsgre (intelligencia szintjre) is utalnak. Jelen fejezetbenhrom esetet tekintnk t:

- nll programbefolysols nlklisg,- programszelekci,- programadaptci.

a) nll programbefolysols nlkli ipari robot

Felptst s az irnytrendszerrel val funkcionlis kapcsolatt a3.10. bra mutatja. Ebben az esetben az nll programbefolysols nlkli-sg azt jelenti, hogy minden j munkaciklushoz az irnytberendezs keze-lszerveivel (klaviatrjval) kell inicializlni az aktulis programot. A-mennyiben a munkaciklushoz archivlt programmal rendelkeznk, a

Robot mechanika

Robot programoz- s irnyt rendszer

Memria

Szerv vezrl

3.10. bra

program betltst s jraindtst kell elvgezni, ha ilyen nincs, akkor j

programot kell rni.


32/210


33/210



alkatrsz sorrend alakul ki. A 3.11. brn ez a sorrend lthat is a program-sorban s az anyagmozgat rendszeren. A technolgiai munkahelyhez rveaz automatikus startkapcsol inicializlja a programsor els helyn lv

programot s gy indulhat a robot mozgsa. Az anyag-mozgat rendszermozgsa s a robot munkaciklusa gy van sszehangolva, hogy a kvetkezfggesztknek az automatikus start kapcsolig val elre mozgsa alatt amunkaciklus befejezdjn s az j program inicializlsa ltrejhessen.

A fentiek alapjn lthat, hogy a programszelekci egy fejlettebb ro-botirnyt szoftvert kvetel, amely lehetv teszi a munkaciklusokat lerprogramok sorba rendezst.

c) Programadaptcival rendelkezipari robot

A programadaptcival rendelkezipari robot teleptst s az irnytrendszerrel val kapcsolatt a 3.12. bra mutatja.

50

45

33

01

(Konvejor)

01 0033

02 004503 0050

Programmdosts

Memria

Szerv vezrl

Programsor

Kpfeldolgoz elektronika

Robot mechanika

Programoz s irnyt berendezs

Sorszm

Programszm

25

CCD Kamera

0 0 0 4 2

Auto start

Anyagmozgat rendszer

3.12. braA rendszer mkdse annyiban tr el a programszelekcival rendelke-

zrobotoktl, hogy itt a trolt programoknak a sorba rendezst egy automa-


34/210

34 ROBOTTECHNIKA I.


tikus azonostsi rendszer vgzi. A 3.12. brn az azonostst egy kp-feldolgoz rendszer vgzi, gy a robot - munkaciklust tekintve - adaptldnitud a krnyezetben bekvetkezvltozsokhoz. Ezt a vltozst esetnkben

az anyagmozgat rendszeren rkez

jabb munkadarab vagy alkatrsz jelen-ti. Ha a robotnak ezt a mkdsi felttelrendszert sszehasonltjuk az elzpontban trgyalt programszelekcis mkdsi felttelekkel megllapthatjuk,hogy a programadaptci fejlettebb irnyt szoftvert ignyel, amivel a robotintelligencia szintje nvekszik.

3.2. Robotok csoportostsa

Az 1. fejezetben lertakbl ismert, hogy a robotmechanika az emberikar mozgst, illetve az ember munkavgzsi mozgsciklust lekpezgp-szerkezet, amely mechanikai testek (karok, tagok) kinematikai kny-szerekkel val egymshoz kapcsolsval pthet fel. A robot mechanikkteht kinematikailag tagokat s knyszereket tartalmaz elemek trbeli kom-bincija. A knyszerek az ltaluk sszekapcsolt tagoknak ltalban forg-s egyenes vonal mozgst biztostanak. A robotok alapvetmozgsa - a 4.fejezetben rszletesen ismertetsre kerl - ltalban hrom tag egymshoz

viszonytott helyzetvel lerhat. A robotmechanika hrom tagja kt kny-szer segtsgvel kinematikailag 23 = 8 egymstl fggetlen vltozatbankapcsolhat egymshoz s egy rgztett gpllvnyhoz. Jelljk R-rel a for-gst, T-vel pedig az egyenes vonal mozgst biztost knyszert. A tagoksszekapcsolsi vltozatai a fenti jellsekkel

- R R R,- R T R,- T R R,

- R R T,- T R T,- R T T,- T T R,- T T T.

A fenti kombincikbl a

- T T T,

- R T T,


35/210



- R R T,- R R R,- T R R

vltozatok terjedtek el a gyakorlati alkalmazsban s alapveten meghat-rozzk azokat a koordintarendszereket, amelyek alapjn a robotok csopor-tosthatk. Mozgsaik ltal meghatrozott koordintarendszerek alapjn azalbbi robotosztlyok klnbztethetk meg:

- derkszgkoordintarendszer T T T,- henger koordintarendszer R T T,- gmbi koordintarendszer R R T,

- csukls rendszerfggleges sk csuklkaros R R R

vzszintes sk csuklkaros robot,

amelyeket a 3.13. bra mutat. A hrom transzlcis knyszerrel rendelkezTT T robot osztllyal kapcsolatban meg kell jegyezni, hogy a kinematikaiknyszereket nemcsak ortogonlisan lehet elhelyezni, amely a derkszgkoordintarendszerrobotot szolgltatja. Klnsen az utbbi idben jelen-nek meg a T T T osztllyal kapcsolatban klnbzrobotplatformok, mint a

prhuzamos s a triangulris koncepci.Az egyes osztlyok alkalmazsnak szzalkos megoldst a 3.14. b-ra mutatja.

3.3. Ellenrzkrdsek

1. Honnan szrmazik a robot megnevezs ?2. Milyen berendezstpusbl szrmaztatjk az ipari robotokat ?

3. Mi a manipultor ?4. Mi a teleopertor ?5. Mi a helyezberendezs?6. Az ipari robotok tprogramozhatsga hogyan rvnyesl a robotok hard-

ver rendszerben?7. Milyen robot osztlyok klnbztethetk meg?8. Az egyes robot osztlyok hogyan jelennek meg a felhasznlsban?


36/210


37/210



3.14. bra


38/210


4. ROBOTOK FELPTSE

4.1. Robotok mechanikai rendszernek koordintarendsze-rek szerinti felptse, robotmechanikk

4.1.1. Derkszgkoordintarendszerrobot

A derkszg koordintarendszer robotok tagjait (karjait) ssze-

kapcsol, - transzlcis mozgst lehetv tev- knyszerek ortogonlis elhe-lyezsek. Felptsket tekintve kt tpusuk ismert, a 4.1. brn lvportlrendszer s a 4.2. brn lv ll vltozat. A tovbbiakban 1 jelzssel arobot tartszerkezett (llvnyt) jelljk 2, 3 s 4 jelzssel pedig a karokat.

l 3max

l 3min

l 2max

l 2min

l 4max

l 4min

x

y

z

x,

y,

TCP

12 3

4

s21s43

s32

l1

4.1. bra


39/210

4. ROBOTOK FELPTSE 39


l 4max

l 4min

l 2max

l 2min

l 3max

l 3min

z

x

yTCP

12

3

s21

s43

s32

l 1

4.2. bra

A 3.9. bra jelkpi jellseivel is lehet kpezni robot modelleket. A 4.2. brarobot modelljt jelkpi jellsekkel a 4.3. bra mutatja.

Minden robot egy n. vilgkoordinta-rendszerrel jellemezhet. A vi-lgkoordinta-rendszer a robot bzis koordintarendszere ltalban a robotllvnyhoz rgztett. Ebben a koordintarendszerben definilhat a robotmunkavgzpontjnak, vagy szerszm-kzppontjnak (Tool Center Point,

a tovbbiakban TCP pont) plyja, a kinematikai knyszerekben mkdtetettkinematikai elrsok (n. zleti koordintk) (t) vagy s (t) segtsgvel.

A robottechnikban hasznlatos mg egy koordintarendszer, amely arobotkarokhoz rgztett. A koordintarendszer kezdpontja ltalban a karo-kat sszekapcsol kinematikai knyszerrel egybeesik. Alkalmazsukkalknnyen lerhat a karok relatv helyzete s egyszeren rtelmezhetk azket meghatroz kinematikai elrsok. A robottechnika - fleg angol nyel-v- szakirodalma ezeket a koordintarendszereket frame-eknek vagy framekoordintarendszereknek, a relatv helyzetet ler kinematikai elrsokat

pedig izleti koordintknak nevezi.


40/210

40 ROBOTTECHNIKA I.


A 4.2. brn lv ll kivitel derkszg koordintarendszer robotTCP pontjnak trbeli helyzett

32min31

21min2

43min4

sz

,sy

,sx

(4.1)

z

y

x

TCP

P

s43s32

z

x

y

l4 max

l4 min

l3 min

l3 max

l1

l2 max

l2 min

s21

1

2

34

4.3. bra

sszefggsek rjk le, ahol min3min21 ,, s min4 szerkezeti mretek

s s21 32, s s43 pedig a megfelel karok elmozdulsai (kinematikai elr-

sok). Ez utbbi jellemzrtkei s smin max, intervallumban vltoznak, lta-

lban smin 0 . gy (4.1) az idfggvnyben is felrhat az


41/210



)t(s)t(z

)t(s)t(y

)t(s)t(x

32min31

21min2

43min4

(4.2)

egyenletekkel.

4.1.2. Henger koordintarendszerrobot (RTT)

A hengerkoordinta-rendszer robot tagjait sszekapcsol knyszerekkzl a transzlcis mozgsokat megvalstk ortogonlisan helyezkednekel. A forg mozgst realizl knyszer tengelyvonala pedig egybeesik azegyik transzlcis knyszer tengelyvonalval, gy alakul ki a henger koordi-nta rendszer. A robot felptst s mozgsait a 4.4. bra mutatja. A 3.9.brn lvjelkpi jellsek alapjn a 4.5. bra szerinti modellel is lerhat arobot TCP pontjnak mozgsa. A 4.5. bra alapjn, a

1

2

3

4

s43

s32

21

x

y

z

21

l3max

l3min

l4max

l4min

l 2

4.4. bra


42/210

42 ROBOTTECHNIKA I.


z

y

x

TCP

P21

s43s

32

21

z

x

y

21min

21max

l4 max

l4 min

l3 min

l3 max

l2

4.5. bra

TCP pont koordinti a robot vilgkoordinta-rendszerben

32min32

2143min4

2143min4

sz

,sinsy

,cossx

(4.3)

egyenletekkel hatrozhatk meg, ahol s t32( ) s s t43( ) a transzlcis mozg-

sok, 21( )t pedig a rotcis mozgs kinematikai elrsai. Itt is rvnyes,hogy a knyszerek kimeneti elrsai csak meghatrozott tartomnyban r-

vnyesek. A transzlcis mozgsok korltja azonos a derkszgkoordinta-


43/210


44/210

44 ROBOTTECHNIKA I.


z

y

x

G = TCP

G21

s43

21

z

x

y

21min

21max

l4 max

l4 min

l3

l2

32

32

,

G

G

4.7. bra

A TCP pont mozgst ler sszefggsek a 4.7. bra alapjn:

.sinsz

,sincossy

,coscossx

3243min432

213243min4

213243min4

(4.4)

A 4.7. bra szerint e robotosztlynl a 32 re a 32 32 32min max korltozs rvnyes. Az s t t43 21( ), ( ) s a 32( )t kinematikai el-rsokkal

(4.4) egyenletek idfggvnyekk rhatk t:


45/210


46/210

46 ROBOTTECHNIKA I.


l 1

21

32

43

l 2

x

x

G = TCP

z

G

zl4

l3

y

32

*

l 2

43

21

G

1

2

3

4

4.8. bra

z

y

x

G = TCP

G

21

32

43

,

21

ll

4

3

l2

l1

xG

yG

zG

32

43

*l

2

4.9. bra


47/210



z

l2

l1

l2*

l4

l 3

x

y21

21

G = TCP

G,,

O

H

K

x

y

A

B

C

D

U

V

32

32

43

43

G,

z

4.10. bra

A 4.10. brn lvgeometriai rtelmezsek alapjn a z- koordinta-rendszerben a TCP pont helyzett a

323232

32323

cosKGsinHKz

,sinKGcosHK

(4.6)

sszefggsek rjk le. A HKG derkszghromszgb

l


48/210

48 ROBOTTECHNIKA I.


,coscosKH 434434 (4.7)

illetve

434 sinGK (4.8)

sszefggsek addnak. (4.7) s (4.8) (4.6)-ba helyettestsvel a szerszm-kzppont helyzett ler egyenletek

324343243432

32434324343

cossinsinsinz

,sinsincoscos

(4.9)

alakv vlnak, ahol 432 ,, a robotok geometriai mretei, 43 s 32 pedig a karmozgs kinematikai elrsai. Mivel (4.9) csak a robot meridinskbeli mozgst rja le, elegenda kt fggetlen kinematikai elrs.

A TCP pont vilgkoordinta-rendszerbeli helyzett (4.9)-bl a 4.10.brn lvrtelmezsek alapjn az

.cossinsincosz

,sinsinsincoscosy

,cossinsincoscosx

324343243432

2132434324343

2132434324343

(4.10)

egyenletek rjk le, ahol mr hrom fggetlen kinematikai elrs szksges: 21 32, ,s 43 .

Az eddigiekben nem volt sz a kinematikai elrsok realizlsrl. Azeddigi robot osztlyoknl a gyakorlatban is az terjedt el, hogy a kinematikaielrsokat a kinematikai knyszerekben mkdtetett kzvetlen hajtsokkalvalstottk meg. A csuklkaros robotok kztt tbb olyan tpus is tallhat,ahol egy kar (ltalban a 4 jel) kinematikai elrst nem a knyszer csuklpontban kzvetlen hajtssal, hanem kzvetett mdon - hidraulikus henger


49/210



hozzkapcsolsval, vagy ttteli rudazattal - biztostjk. Ezekre a megold-sokra lthat plda a 4.11- s a 4.12. brkon. A 4.11. brn vzolt robott-pust a tovbbiakban B-tpusnak a 4.12. brn lvt pedig C-tpusnak nevez-

zk.

43

z

G = TCP

z

l4

l3

32

43

21

G

32

l1

x

xG

l 2

21

l

2

y

*

s3,s2

,

a

1

2

3

4

4.11. bra


50/210

50 ROBOTTECHNIKA I.


l 1

x

x

G = TCP

z

G

l 2

21

32

21

l 2*

y

z

43

G

32

43

l4

l3

l3

1

3

2

3,

4

4.12. bra

A tovbbiakban azt nzzk meg. hogy a kzvetett hajtsi mdok ho-

gyan befolysoljk a tnyleges kinematikai elrsokat. Ehhez induljunk ki a4.13. brbl, amely a 4.11. bra robotmodelljnek konkretizlsa arra az

esetre, amikor a 4 kart mozgat hidraulikus henger nem mozog. Mozgassukgy a 3 kart s vele egytt a robotot a 32 max helyzetbl a 32min (vko-nyan rajzolt) helyzetbe s megllapthatjuk, hogy 43 32 f ( ) . Ezltalknnyen belthatjuk,


51/210



43

B

C

32min

32max

43

OO1

R

S

f ( )

Plyagrbe

l 4

l3

l 3,

32

4.13. bra

hogy a B-tpus robot TCP pontjnak plyja a 4 kart mozgat hidraulikushenger mozgsnak meglltsval ms plyagrbt r le, mint a 4.9. brnlv n. A-tpus robot a 4 jel karjt kzvetlenl mozgat hajtegysgmeglltsa esetn. A gyakorlati feladatok sorn azonban kvetelmny, hogymindkt robottpussal ugyanazon plyagrbt kell ellltani. A tovbbiak-ban ennek a lehetsgt nzzk meg a kinematikai geometria segtsgvel. A4.14. bra egy ltalnos helyzetben mutatja a robot karokat s a 4 kar kzve-tett hajtsaknt funkcionl hidraulikus hengert. Ezt a helyzetet az ORO1saz O1RS hromszgekkel tudjuk jellemezni. A hromszgekben megtallha-tk kzvetlenl vagy kzvetetten a 32 s a 43 kinematikai elrsok, ahol 43 .

Az ORO1hromszgbl szinusz s koszinusz ttelek alkalmazsval

323

2

3

2

3232

cosa2a

sina

x

sinasin

(4.11)


52/210

52 ROBOTTECHNIKA I.


a

l3

l3,

a

l4

43

32 O O

R

S

1

x

TCP

4.14. bra

illetve az O1RS hromszgbl koszinusz ttel felhasznlsval

32323

2

323

23

,223

cosa2aa2

cosa2a2cos

(4.12)

egyenletek addnak, amelybl

32323

2

323

23

,223

32323

2

3243

cosa2aa2

cosa2a2arccos

cosa2a

sinaarcsin

(4.13)


53/210



sszefggst nyerjk.(4.13) sszefggsbl lthat, hogy a tnyleges hajtst megvalst

hidraulikus henger hossznak llandsga )const( 3,

esetn )(g 3243 illetve )t(g)t( 3243 . Abban az esetben, ha const

,3 akkor

),(f 3,3243 illetve )t(,)t(f)t( 3,

3243 , ahol )t(32 s l, ( )3 t mr

fizikailag is realizlhat kinematikai elrsok. Amennyiben a TCP pontplyjnak (vagy helyzetnek) lershoz 32 s 43 szg-koordintkatmeg tudjuk hatrozni (lsd 5. fejezet), akkor a (4.13) ssze-fggs segtsg-

vel a kzvetett hajtst realizl hidraulikus henger hossznak l,3 pillanatnyirtke kiszmthat.

b) Vzszintes sk csuklkaros robotok

A robot felptst s a vilgkoordinta-rendszert a 4.15. bra mutat-ja. Az brbl lthat, hogy a robotkarokat egymshoz kapcsol kinematikaiknyszerek tengelye fggleges, amellyel az emberi kar vzszintes skmozgsa kpezhetle (a vll s a knyk izlet).

z

x

yG = TCP

1

2

3

4

32

43

32

xG

yGz

G

s21

l2min

l5

l4

l3

43

32

4.15. bra


54/210

54 ROBOTTECHNIKA I.


E kt knyszerrel csak egy skmozgs kpezhetle. Mivel a robotoknl k-vetelmny a trbeli mozgs realizlsa, ezrt felptsben kiegszl egyszintn fggleges irny mozgst lehetv tev transzlcis knyszerrel.

Ezzel a knyszerrel TRR vagy RRT robotstruktra is kpezhet

. Az anyag-mozgatsi egysgrakomnyozsi feladatokhoz a TRR struktrk terjedtek el,a szerelsi anyagkezelsi feladatokhoz inkbb az RRT struktrkat alkal-mazzk. Mindkt struktra esetben a robot mozgst, illetve mozgstarto-mnyt meghatroz knyszerek az RR knyszerek, ezrt trgyaljuk a csuk-lkaros robotok osztlyban.

A vzszintes sk csuklkaros robot egy TRR jelkpi modelljt a 4.16.bra mutatja. A TCP pont lershoz itt is

z

y

x

s21

32

z

x

yl 2min

G

32

43

43

l 5

G

G

l4

l3

G

1

2 3

4O

H

G = TCP

,

4.16. bra

alaktsuk t a 4.16. brt. Az talaktott j bra (4.17. bra) alapjn a TCPpont vilgkoordinta-rendszerben lvhelyzete


55/210



z

y

x

s21

32

z

x

yl2min

G

32

43

43

l5

G

G

l4

l3

G

43

1

2 3

4O

HK

V

U

G = TCP

,

4.17. bra

521min2

32323

32323

sz

,cosKGsin)HK(y

,sinKGcos)HK(x

(4.14)

egyenletekkel rhat le. A HKG" derkszghromszgbl a 4.14. a.) feje-zetpontban tett (4.7) alatti rtelmezse

434 cosHK (4.15)

s

434 sin"KG (4.16)

sszefggsek hatrozhatk meg, amelyeket (4.14)-be helyettestve:


56/210

56 ROBOTTECHNIKA I.


521min2

32434324343

32434324343

sz

,cossinsin)cos(y

,sinsincos)cos(x

(4.17)

alak egyenletekhez jutunk. (4.l7)-bl lthat, hogy a TCP pont helyzett azs21 , a 32 s a 43 kinematikai elrs egyrtelmen meghatrozza, mivel

3min2 ,, , 4 s 5 itt is a robot szerkezeti mreteit jellemzik.

A levezetsek mellzsvel a 4.18. brn lvRRT struktra esetn aTCP pont vilgkoordinta-rendszerbeli helyzete az

z

y

x

s43

21

z

x

y

l1

G

21

32

32

l4min

G

G

l3

l2

G

32

1

2

3O

HK

V

U

G = TCP

,

4

4.18. bra


57/210



43min41

21323213232

21323213232

sz

,cossinsin)cos(y

,sinsincos)cos(x

(4.18)

sszefggsek hatrozzk meg.

4.1.5. Robotplatformok lineris (transzlcis) mozgsokbl

Az eddigi fejezetekben vizsglt robot osztlyoknl a TCP pont helyze-

tt a karok nagy elmozdulsai vagy szgelfordulsai alapjn lehetett megha-

trozni. A mozgsok sorn ltalban nagy kartmegeket kellett mozgatni,

ami egyb jellemzk mellett befolyssal volt a robot mozgsnak pontoss-

gra. A pontossg javtsra irnyul fejlesztsi clkitzsek vezettek a k-

lnbz lineris mozgsokbl felpl robot platformok ltrehozshoz. A

fenti elvre plSEF TRICEPT tpus robot felptst a 4.19. bra mutatja,

jelkpi modellje pedig a 4.20. brn lthat.

4.19. bra


58/210

58 ROBOTTECHNIKA I.


x

y

z

S 2

S 4

S 3

l3

l2

l4

l

ll

A2

A 4

A3

TCP

s4

s

2

3

4

s31

1 llvny sk

s41

s21

4.20. bra

A 4.20. brn megfigyelhet, hogy a transzlcis mozgsok nem orto-gonlis elhelyezsek. A mozgsokat megvalst lineris hajtsok minde-gyike rgztett az llvnyhoz, illetve a TCP pontot hordoz platformhoz. Ahajtsok llvnyhoz val kapcsolsnak a knyszerei egy egyenl oldalhromszg cscspontjaiban helyezkednek el. Az bra alapjn a platform

csuklpontjainak helyzett

,sinz

,0y

,cosx

222S

2S

222S

(4.19)


59/210


60/210

60 ROBOTTECHNIKA I.


33

33

33

3

sin

)cos(23

)cos(2

1

s (4.23)

illetve

.

sin

)cos(2

3

)cos(21

44

44

44

4

s (4.24)

Mivel a TCP pontot a platform slypontjba helyeztk el, a slypont koordi-ntit az

ss s s

2 3 4

3 (4.25)

vektoregyenlet rja le, amelybl (4.22), (4.23) s (4.24) felhasznlsvalmegkapjuk a kifejtett alakot


61/210



443322

4433

443322

sinsinsin

coscos223

coscos22

1cos

31

s (4.26)

vagy az sszevonsok elvgzsvel az

)sinsinsin(3

1z

,coscos2

1

3

1y

,coscos21cos

31x

443322

4433

443322

(4.27)

skalrkomponenseket. A TCP pont a platform slypontjn kvl is el-helyezhet. Szerkezeti megoldsok miatt a gyakorlatban ez terjedt el. Ilyenesetben a (4.26) ltal meghatrozott pont fl a platform skjtl a szerkezetimret ltal meghatrozott tvolsgban kpezzk az j szerszmkzppontot.

Ha statikailag megvizsgljuk a 4.20. bra robotmodelljt azt tapasztal-juk, hogy s s s const21 31 41 esetn statikailag hatrozott. A bizonytsmellzsvel s s t s s t

21 21 31 31 ( ), ( ) s s s t

41 41 ( ) kinematikai elrsok

esetn a platform kinematikailag is hatrozott. Ez azt jelenti, hogy a TCPpont helyzete s s21 31, s s41 kinematikai elrsokkal meghatrozhat, ha(4.27)-be


62/210

62 ROBOTTECHNIKA I.


41min44

31min33

21min22

s

,s

,s

(4.28)

sszefggseket helyettestjk. A behelyettests utn, - mivel 2 3, s4 szgek ismeretlenek, gy tnik, hogy (4.27)-ben a TCP pont helyzetthat vltoz hatrozza meg, aminek az ellenkezjt lltottuk. E hatrozatlan-sgot a 4.20. bra geometrijt figyelembe vve az

s s s s s s3 2 4 3 2 4 (4.29)

felttellel lehet feloldani. Teht korbbi lltsunkat azzal kell kiegszteni,hogy a TCP pont helyzett (4.27) sszefggsek rjk le (4.29) felttelekteljeslse esetn.

4.1.6. A robottechnika mechanizmuselmleti krdsei

A 3.3. fejezetpontban mr sz volt rla, hogy a robotmechanika egyolyan gpszerkezet, amely az emberi kar mozgsait s munkavgzsi moz-gsciklust kpezi le. A gpszerkezet mechanikai testek kinematikai kny-szerekkel val egymshoz kapcsolsval pl fel. A robotmechanika tehtlthatan ktfle alkotelemet tartalmaz:

- karokat (tagokat),- knyszereket.

A knyszerek meghatrozzk a tagok egymshoz viszonytott mozgst.

Releaux megfogalmazsa szerint az olyan szerkezetek, amelyek kt-fle elemet, tagokat s knyszereket tartalmaznak s a szerkezet ezen ele-mek kombincijbl jn ltre mechanizmusnak nevezzk. A robot-mechanika - mint az eddigiekben lthat volt megfelel e felptsi elvnek -teht egy trbeli mechanizmus, amelyben a tagok kapcsoldsa lncszer.Lncszer kapcsoldsrl akkor beszlnk, ha a kapcsold testek (karok)olyan sorozatot alkotnak, amelyben az elskarhoz a msodik, a msodikhoza harmadik, a harmadikhoz a negyedik stb. kapcsoldik egy-egy knyszersegtsgvel. Ebben az alakzatban minden tag (kar) csak az t sorrendben

megelzvel, illetve a kzvetlenl kvetvel van knyszer-kapcsolatban. A


63/210



mechanizmuselmlet a testeknek ezt a lncszer kapcsoldsi (kapcsolsi)rendszert kinematikai lncnak nevezi. Magt az eljrst pedig lnckpzs-nek nevezzk.

Amennyiben egy kinematikai lnc kezd- s zr tagja ugyanazon me-rev test zrt lnccal van dolgunk (4.21. bra), amely egy egylnc mecha-

nizmust brzol.

1 tag (llvny)

1-2 knyszer

2 tag (kar)

2-3 knyszer

3 tag (kar)

(n-1) tag (kar)

n tag (kar)

n-1 knyszer

4.21. bra

Az egylnc mechanizmusok bvtssel tbb lncv alakthatk. A bvtsa lnckpzs elve szerint trtnik, gy hogy az egylnc mechanizmus va-lamelyik tagjhoz tovbbi tagokat kapcsolunk (4.22. bra)

1 tag (llvny)

1-2 knyszer

2 tag (kar)

2-3 knyszer

3 tag (kar)

(n-1) tag (kar)

n tag (kar)

n-1 knyszer

1 tag (llvny)

Elgazsi pont

2. lnc

1. lnc

k tag

(k+1) tag

k-(k+1) knyszer

(k+j) tag

4 tag (kar)

(4-k knyszer)

4.22. bra.


64/210

64 ROBOTTECHNIKA I.


Azokat a knyszereket, ahol az jabb lnc az eredetihez kapcsoldik elga-zsi pontoknak nevezzk. Egy mechanizmusban a lncok s az elgazsipontok szma kztt ltalnos rvnysszefggs van, amely

)1m(2r (4.30)

vagy

12

rm , (4.31)

alakban fejezhetki. (4.30) s (4.31) sszefggsekben mjelenti a kinemati-kai lncok szmt, r pedig az elgazsi pontok szmt. A lncok szma amechanizmus szerkezeti jellemzje.

Azokat a mechanizmusokat, amelyeknek a zr tagja nem az llvny,nyitott kinematikai lnc mechanizmusoknak nevezzk, amelyre egy pldta 4.23. bra mutat. Az brn lvszerkezet

1 tag (llvny)

1-2 knyszer

2 tag (kar)

2-3 knyszer

3 tag (kar)

n tag (kar)

(n-1) -n knyszer

4.23. bra

egyetlen lncot tartalmaz.A kinematikai lncok megismerse utn nzzk meg a knyszerek a

mechanizmusban betlttt szerept. A mechanika szerint egy test akkor llknyszer hatsa alatt, ha a helyzett meghatroz koordintk nem vehetnek

fel tetsz

leges rtket, hanem kzttk meghatrozott trvnyszersgek


65/210



llnak fenn. Ha a test mozgst meghatroz koordintkat q q q qn1 2 3, , ,..., -nel jelljk akkor a kzttk fennll trvnyszersgeket

f q q qn( , ,..., )1 2 0 (4.32)vagy

f q q q tn( , ,..., , )1 2 0 (4.33)

alakban tudjuk kifejezni, amit knyszeregyenleteknek neveznk. A (4.32) s(4.33) geometriai knyszereket hatroznak meg.

A knyszerek egymshoz kapcsold merev testek vonatkozsbanmozgskorltoz szerepet tltenek be. Ez azt jelenti, hogy a mozgsok egycsoportjt kizrja (lehetetlenn teszi), egy msik csoportjt pedig engedlye-zi. Ennek jobb megrtsre tekintsk a 4.24. brn lvmerev testet, ame-lyet az A pontjban egy

A

B

x

y

( t )z

lAB

4.24. bra

csuklval rgztnk. A csukl csak a z tengely krli elfordulst teszi lehe-tv. Az bra jellseit figyelembe vve a merev test knyszeregyenletei


66/210

66 ROBOTTECHNIKA I.


q x

q y

q z

q

q

q t

A

A

A

x

y

z

1

2

3

4

5

6

0

0

0

0

0

,

,

,

,

,

( ).

(4.34)

A knyszer mozgskorltoz szerepe teht abban nyilvnul meg, hogy a hatkoordinta kzl csak egyet, a 2 -t hagyja szabadon. A szabadon maradtkoordintk szmt a knyszer szabadsgfoknak nevezzk, ami a pldnk-

ban egy, teht az A csukl egy szabadsgfok.A robotmechanikkban alkalmazott knyszerek ltalban egy szabad-

sgfokak. Konstrukcijukban s kialaktsukban az albbi tpusokat lehetmegklnbztetni:

- csukl,- csszka vagy egyenesbe vezets,- forg csszka vagy forg egyenesbe vezets.

A kt knyszer sszekapcsolsval egy jabb kt szabadsgfok knyszertlehet ltrehozni, amelyet a szakirodalom forg csszka vagy forg egyenes-

be vezets elnevezssel illet.A csukl szerkezeti kialaktst s jelkpi jellst a 4.25. bra mutatja. Az egy-mshoz kapcsold merev testeket egy csap vagy tengely segtsgvel kti egy-mshoz. A tengely a merev testekben csapgyazott, ezltal lehetv vlik a testektengely krli elfordulsa.

1 llvny

2 tag

Szerkezeti kialakts Jelkpi jells

21

4.25 bra


67/210



A csszka vagy egyenesbe vezets szerkezeti kialaktsa s jelkpi jellse a4.26. brn lthat. Az egyenesbe vezetst itt sikl csapgyazs krvezetkbiztostja. A kapcsold merev testek a siklcsapgyat tartalmaz agy, s a

krvezetk. A korszer

megoldsok kz tartozik a 4.27. brn lvn. go-lys vezetk. Mindkt esetben a kapcsold merev testeknek csak a krveze-

tk irny mozgst engedlyezett, szabadsgfoka egy.

n -1. tagn. tag

Sikl vezetk

s n(n-1)


s n(n-1)

4.26. bra

Grdl vezetk

n -1. tag

n. tag

s n(n-1) s n(n-1)


4.27. bra

A forg csszka (forg egyenesbe vezets) szerkezeti kialaktst sjelkpi jellst a 4.28. bra mutatja. Funkcijban a csukl


68/210

68 ROBOTTECHNIKA I.


2 tag3 tag

s 32

1 llvny

21


s 32

21

4.28. bra

s az egyenesbe vezets sorba kapcsolsnak egy szerkezeti egysgben valrealizlsa, teht hrom merev test kt knyszerrel val sszekapcsolsnakeredmnyeknt jn ltre. A forgcsszka szabadsgfoka 2x1 = 2.

A 4.1.1 - 4.1.5. fejezetpontokban a robot jelkpi jellseken lthattuk,hogy a karokat (tagokat) szmmal, a knyszereket pedig nagy betvel jell-tk. A tagok kzl a robotnak a vilgkoordinta-rendszerben rgztett szer-kezeti egysgt 1-el jelltk ezt a tovbbiakban llvnynak nevezzk.

A robot mechanikt, mint mechanizmust szerkezeti kialaktsa szerinta kinematikai lncainak lersval jellemezhetjk. Ehhez nzzk meg, hogya robotmechanikkat a kinematikai lncok szerint hogyan tudjuk csoportos-tani.

Tekintsk a 4.12. brn lvB tpus robot jelkpi modelljt, (4.29.bra).


69/210



A

B

C D

E

F

G

H

I

1

2

3

4

5

6

7

8

4.29. bra

Az brbl lthat, hogy a robotmechanika tbb lncot tartalmaz. A

kinematikai lncokat tbbfle kpen rtelmezhetjk, ugyanis a lncok szmafggetlen a lnckpzs mikntjtl. Ehhez szerkesszk t a 4.29. bra mo-delljt a kinematikai lnckpzs szempontjbl, azaz a knyszerek funkcio-nlis jellemzit elhagyva egysgesen kis krrel jelljk azokat, a 4.30. br-hoz jutunk. Ha a kezdtagtl kiindulva a knyszereket lnconknt felsorol-juk, megjellve a lncok egymshoz val kapcsoldst, akkor a mechaniz-mus (robotmechanika) szerkezeti felptse a knyszerek ezen felsorolsvaljellemezhet, amit szerkezeti kpletnek neveznk. A lncok egymshoz valkapcsolst balra mutat nyllal jelljk.


70/210

70 ROBOTTECHNIKA I.


A

I

B

F

ED

C

G

H

4.30. bra

A 4.30. bra alapjn a 4.29. bra szerinti robotmechaniknak az albbiszerkezeti kialaktsai lehetnek:

CDEFIHGBA

,GHIBCDEFA

(4.35)

A szerkezeti kpletbl lthat, hogy a robotmechanika hrom lncot tartal-maz, amelybl kettzr taggal rendelkezik s az elspedig nyitott. A nyi-tott lncot az IBF knyszereket tartalmaz tag kpezi, amely az A knyszer-rel a vilgkoordinta-rendszerhez van rgztve. A zrt lncok mindegyike azIBF knyszereken keresztl zrdik a knyszereket tartalmaz tagon.

Mechanizmusok geometriai szabadsgfoka ltalnossgban trbeliesetre, lnconknt a (4.36) alatti Csebisev-Grbler-Kutzbachformula alapjnhatrozhat meg, ahol N az llvnyt is belertve a mechanizmus tagjai-nak szma, j a knyszerek szma, fipedig az egyes knyszerek geometriaiszabadsgfoka ag-edik lncra:

.f)j1N(6Mj

1iig

(4.36)

Trbeli egyszerzrt lnc N = j esetn a szabadsgfok

6fMj

1iig

,

nyitott lnc esetn N = j+1 pedig


71/210



j

1iig fM .

A (4.36) skbeli szerkezetre

j

1iig f)j1N(3M , (4.37)

egyszerzrt lncra;

3fMj

1iig

,

nyitott lncra pedig

j

1i

ig fM

alakokban rhat fel. Az sszetett lnc szabadsgfoka a lncok szabadsgfo-knak sszegeknt szmthat:

m

1ggMM

A (4.36)- s (4.37) tel, illetve a bellk szrmaztatott sszefggsek-kel jellemzett geometriai szabadsgfokot a lnc rendszmnak, vagy hatro-zottsgi foknak nevezzk. Az egyszer s az sszetett lncok gM , illetve

M hatrozottsgi foka is gM0 , illetve 0M g rtklehet. A gyakorlatszmra az 0M g nem rtelmezhet, ekkor a lnc tlhatrozott, mert a

geometriai knyszeregyenletek egymsnak ellentmond feltteleket tartal-maznak. Az 0M g azt jelenti, hogy a knyszeregyenletekkel a lnc vala-

mennyi szabad koordintjt megktjk. Az 0M g esetben a lncban sza-

bad koordintk vannak, ilyenkor a lncot hatrozatlannak nevezzk.Pldaknt nzzk meg a (4.35) szerkezeti kplet szerinti robot-

mechanika lncok hatrozottsgi foknak szmtst:

- az elsszerkezeti kplet alapjn szmtva, valamennyi knyszer egyszabadsgfok:

,302131331511M

GHIBCDEFA

- a msodik szerkezeti kplet alapjn elvgezve a szmtst:

.311131431411M

CDEFIHGBA


72/210

72 ROBOTTECHNIKA I.


A szmtsbl lthat, hogy mindkt szerkezeti kplet alapjn a robot-mechanika kinematikai hatrozottsgi foka 3, teht a lnc hatrozatlan. Alnc hatrozatlansgt a geometriai knyszerekben mkdtetett kinematikai

elrsokkal kinematikailag hatrozott tudjuk tenni.Mkdtessnk a 4.29. bra jelkpi jellsnek A, H s E knyszerei-

ben A Ht s t( ), ( ) s s tE ( ) idfggvnyeket, amelyek szgelfordulst selmozdulst jelentenek. A tovbbiakban az ilyen knyszereket gy jelljk,

hogy a knyszer jele fl egy nyilat helyeznk: A

, H

s E

.E jellssel a (4.35) szerkezeti kplet

.FECDGBHIA

,IHGFEBCDA

(4.38)

alak lesz.Jelljk az egy lncban lv kinematikai elrsok szmt gk -vel.

(4.36)-bl

ggg kMKH (4.39)

sszefggssel a kinematikai hatrozottsg fogalmt rtelmezhetjk. A ki-

nematikai hatrozottsg fogalma a

m

1ggKHKH (4.40)

sszefggssel az sszetett lncra is rtelmezhet, rtke gKH0 illetve

0KH g lehet. A vals robotmechanizmusok esetn 0KH g rtke nem

rtelmezhet. A 0KH g eset azt jelenti, hogy a geometriailag szabadon

hagyott knyszereket kinematikai elrsokkal lektttk, teht a mechaniz-mus mozgsa kinematikailag hatrozott. A 0KH g esetn a szabad geomet-

riai knyszerek nincsenek lektve, a mechanizmus kinematikailag hatrozat-lan.

Nzzk meg az elz pldra a geometriai- s a kinematikai hatro-zottsg egyttes szmtst:

- (4.38) elsszerkezeti kplete esetn


73/210



,01101)313(1)315(1)11(KH

,302131331511M

IHGFEBCDA

- (4.38) msodik szerkezeti kplete esetn

.00001)314(1)314(1)11(KH

,31231431411M

FECDGBHIA

A szmtsokbl lthat, hogy a robotmechanika megfelelkinematikai el-rsokkal kinematikailag hatrozott tehet.

rjuk fel (4.40) sszefggst (4.37) s (4.39) egyenletek segtsgvel;

m

1gg .kMKH (4.41)

Vegyk tovbb figyelembe azt a korbbi megllaptst, hogy a mechaniz-

mus akkor mozgskpes, ha ,0M illetve mozgsa akkor egyrtelm, ha.0KH E felttelek teljestse esetn a mechanizmus szabadsgfoka meg-

egyezik vagy a geometriai hatrozottsggal, vagy a fggetlen kinematikaielrsok szmval.

4.2. Robotok munkatere

A robotok technolgiai folyamatokban val alkalmazhatsgnakmeghatroz jellemzje a robot osztlyra, illetve az osztlyon belli tpusok-ra jellemzmunkatr. A munkatr a robot vilgkoordinta rendszerben r-telmezhet felletekkel hatrolt trrsz. A hatrol felleteket a robotkarokmozgstartomnynak hatrhelyzeteihez tartoz trajektrik hordozzk.

rtelmezzk a 4.31. brn, a vzolt robot vilgkoordinta rend-szerben, a 32 s 43 hatrhelyzetekhez tartoz trajektrikat, akkor a32min szgkoordinthoz a AB , a 43min -hoz az AD, a 32max rtkheza DC, a 43max szghelyzethez pedig a CB vszakaszok tartoznak. A hatr-

helyzetek ltal meghatrozott ADCB vsokszg ltal hatrolt terlet a mun-


74/210

74 ROBOTTECHNIKA I.


katr meridin metszete. A meridin metszet vszakaszait (4.9) felhasznl-sval szmthatjuk.

A

B

C

D

32 32 min

32 32 max

43 43 max

z

43 43 min

32 min

43 min

32 max

32 max

l2

l1

l2*

l4

l3

x

y

21

21

4.31. bra

A meridin metszet A-B hatrol grbjnek 32 32 min ;

43 43 43 min max; , mozgstartomnyra rvnyes paramteres egyen-lete:

.cossinsin)cos(z

,sinsincos)cos(

min32434min3243432AB

min32434min324343AB

(4.42)


75/210



A B-C hatrol grbe egyenlete a 43 43 max ,

32 32 32 min max; , mozgstartomnyra:

.cossinsin)cos(z

,sinsincos)cos(

32max43432max43432BC

32max43432max4343BC

(4.43)

A C-D grbeszakaszt ler sszefggs 32 32 max ,

43 43 43 max min; , szgelforduls tartomny esetn:

.cossinsin)cos(z

,sinsincos)cos(

max32434max3243432CD

max32434max324343CD

(4.44)

A D-A szakasz pedig a 43 43 32 32 32 min max min; ; moz-gstartomnyban

.cossinsin)cos(z

,sinsincos)cos(

32min43432min43432DA

32min43432min4343DA

(4.45)

egyenletek alkalmazsval szmthat.A munkateret ler sszefggsek ms robotosztlyok esetn - a kar-

mozgsok hatrhelyzeteit alapul vve - ugyanezen elv alapjn elllthatk.Pldaknt hatrozzuk meg egy A tpus csuklkaros robot meridin

metszetnek cscspontjait a z koordintarendszerben. Hatrozzuk megtovbb a munkatr legnagyobb sszefggmunkafellett.


76/210

76 ROBOTTECHNIKA I.


Adatok:

.120,55

,115

,50

,50

,mm1100

,mm800,mm250

,mm300

max43

min43

max32

min32

21

4

3

2

1

A munkatr meridin metszett ler hatrol grbk a (4.42)-(4.45)sszefggsek s a 4.31. bra alapjn szmthatk. A meridin grbe cscs-pontjait jellemzhatrhelyzetek;

a) Az A-B v mentn a szgkoordinta rtkek: ,;; max43min4343min3232 amelyekbl az A cscspontot 32 32 min

s 43 43 min , a B cscspontot pedig 32 32 min s 43 43 max r-tkek jellemzik.

Behelyettestve az adatokat a (4.9)-be a cscspontok koordinti:

A

mm

800 1100 0 5735 0 642 1100 0 8191 0 766

169 15 0 642 690 798

, , , ,

, , ,

z

mm

A

300 250 800 1100 55 50 1100 55 50

550 800 1100 0 5735 0 766 1100 0 8791 0 642

679 56 578 44 10111

cos sin sin cos

, , , ,

, , , ,

o o o o


77/210



,mm,,,

,,,,B

391596697297866

7660866011006420501100800

.mm,,,

,,,,

cossinsincoszB

549725661111034550

6420866011007660501100800550

501201100501201100800250300

b) A B-C v mentn 43 43 32 32 32 max min max; ; . A Ccscspontot meghatroz 43max s 32 max szgkoordinta rtkeket behe-lyettestve (4.9)-be

C

mm

800 1100 0 5 0 422 1100 0 866 0 906

569 7 863 05 293 35

, , , ,

, , , ,

z

mm

C

300 250 800 1100 120 115 1100 120 115

550 800 1100 0 5 0 906 1100 0 866 4 422

550 1223 1 401 9 21750 9

cos sin sin cos

, , , ,

, , , .

o o o o

c) A C-D v mentn 32 32 32 43 43 max max min; ; , a Dcscspontot pedig a 43min s 32max szgkoordintk jellemzik, a-melyeket (4.9)-be helyettestve

D

mm

800 1100 0 5735 4 422 1100 0 819 0 906

71 38 816 21 744 83

, , , ,

, , , ,


78/210

78 ROBOTTECHNIKA I.


z

mm

D

300 250 800 1100 55 115 1100 55 115

550 800 1100 0 5735 0 906 1100 0 819 0 422

550 769 15 0 906 380 17 1083 41

cos sin sin cos

, , , ,

, , , , .

o o o o

A fenti szmadatokat a 4.32. bra meridin metszetn is feltntettk.

A

B

C

D

z

x

32 min

43 min

32 max

43 max

= 50o

= 115= 120o

= 55o

798,93 1597,51745,19292,83

550

100,31

971,821084,03

2176,11

1100

l3

= 800

800

x

y

1300

Anyagmozgat rendszer

mozgs skja

21

1856,92

1000

4.32. bra


79/210


80/210

80 ROBOTTECHNIKA I.


addik. Fejezzk ki a koszinusz fggvnyt a szinuszval, akkor

706 2 1 513 6 842 62 43 43, sin , , sin , AB

egyenlethez jutunk, majd mindkt oldalt ngyzetre emelve

702 6 1 513 6 2 513 6 842 6842 6

2 243

243

2 243

, sin , , , sin

, sin ,

addik, amelybl a mveletek elvgzse utn

706 2 842 6 1685 2 513 6

706 2 513 6 0

2 2 243 43

2 2

, , sin , , sin

, ,

msodfok egyenlet addik.

A sin43 -ra msodfok egyenletet , illetve y paramterek mellettmegoldva kapjuk a z = z(y) munkafelletet hatrol fggvnyt az AB v ltalmeghatrozott felleten, amelyet a 4.33. bra s kinagytva a 4.34. bra mu-tat. Hasonl elv alapjn rhatjuk fel a hatrol grbt a BC v mentn is.

A B tpus csuklkaros robotosztlyok esetben a 43max s 43min rtkei a 32 vltozsa esetn nem maradnak lland rtkek, ha-nem a ge-ometriai elrendezsbl addan - 4.1.4.a) fejezet - 43 32max ( ) f , illetve 43 32min ( ) g fggvnyek; 4.35. bra. A 4.36. bra ltalnos elrendezst

alapul vve az ORO1 s az O1RS hrom-szgekbl korbban rtelmezett(4.11) (4.12) s (4.13) sszefggsek a hatrhelyzetre is rvnyesek. A ha-trhelyzeteket B tpus robotok esetn az max32min3

max3

,, s 32min

elmozduls, illetve szgkoordintk jellik ki. Az l ' max3 rtk (4.13)-ba

helyettestsvel 43max -ra


81/210



A

B

C

D

z

x

32 min

43 min

32 max

43 max

= 50 o

= 115o = 120o

= 55o

798,93 1597,51745,19292,83

550

100,31

971,82

1084,03

2176,11

1100

l3

= 800

800

x

y

1300

Anyagmozgat rendszermozgs skja

21

1856,92

z

A

B

C

y

z = z (y)AB

z = z (y)BC

4.33. bra


82/210

82 ROBOTTECHNIKA I.


z

A

B

CC,

B,

A,

y

z

y

a)

b)

1569,8

971,85

-928,46 928,46

393,05

2176,11

100,31

z = z (y)BC

z = z (y)AB

z = z (y) =2

z (y) = 1162,83 -2 2

2

769,75 - y

1569,8 - y

4.34. bra


83/210



32323

2

323

2max3

223

32323

2

32max43

cosa2aa2

cosal2a2arccos

cosa2a

sinaarcsin

(4.45)

sszefggst kapjuk. A (4.43) sszefggs felhasznlsval meghatrozhata BC hatr trajektria, illetve 32min s 32 max helyettestsi rtkekkel a Bs a C cscspontok helyzete. Teljesen hasonl szmts vgezhetel a 4.37.bra alapjn a 43 32min ( ) g szghelyzethez tartoz meridin metszeti

trajektrira. Helyettestsnk (4.13) -ba min,3 rtket, akkor 43min -re

32323

2

323

23

223

32323

2

3243

22

22

2

cosaaa

cosaaarccos

cosaa

sinaarcsin

min,

min

(4.46)

43max 32

f ( )

32min32max

43min 32

g ( )

D A

B

C

C1

C2

D1

D2

32min32max

43max

43max

OO1

R

S

4.35. bra


84/210

84 ROBOTTECHNIKA I.


a

l3

l3

,

a

l4

43max

32max O O

R

S

= f ( )43 max 32

= g ( )43 min 32

32 min

32 max

D1

D

D2

A

B

C

1

x

4.36. bra

addik. 32 vltoztatsval meghatrozhat az AD hatr trajektrihoz tar-toz 43min rtkek, amellyel (4.45) egyenletekbl szmthat a hatrtrajektria. Az A s a D cscspontok itt is 32min s 32max helyettestsirtkek segtsgvel llthatk el.

Az AB s a CD cscsok kztti hatr trajektrik, - amelyek 32min

s

32max szghelyzetekkel jellemezhetk - (4.42) s (4.44) sszefggseksegtsgvel szmthatk. A szmtshoz meg kell jegyezni, hogy a 43 r-tke (4.13) egyenlet segtsgvel szmthat, mivel a B tpus robot 4 jelkarjnak szgelfordulst a hidraulikus henger max3,min3, ; tartomnybanval elmozdulsa biztostja.

Az ismertetett szmts alapjn meghatrozhat meridin metszetitrajektria konstrukcis okok miatt ltalban a sarokpontok krnykn torzul(4.38. bra). A torzuls egyik szembetnjellemzje, hogy a meridin met-szet csonkul, egy cscspont helyett kettkpzdik. A torzuls oka ez esetben


85/210



a

l 3

l3

,

al4

43min

32max O O

RS

= f ( )43 max 32

= g ( )43 min 32

32 min

32 max

D1

DD2

A

B

C

1

x

4.37. bra

D1

DA

B

D 2

Lemarad terlet

Szls helyzet

Feltkzsi pont

Feltkzs miattkorltozott minimlis szg

Feltkzsi pont

Feltkzs miattkorltozott maximlis szg

O O1

SR

32max

32min

G = TCP

4.38. bra


86/210

86 ROBOTTECHNIKA I.


a mozgat hidraulikus henger s a mellette lv robotkar rintkezse, tehtszerkezeti korltozs.

A szerkezeti korltozst geometriailag a 4.39. s a 4.40. brk szemll-tetik, a 43 -ra vonatkoz szgkorltozsok konstrukcis tapasztalati adatok.

l3

l4

O

R

a

a

l3

,

G

S 160-165

32max

O1

o

4.39. bra

l3

l4

O

a

a

l 3, G

S

30-3532max

R

O1

o

4.40. bra


87/210



A 4.39. bra alapjn kt eset klnbztethetmeg:

a) ;3max3, a e felttel teljestse esetn 32 32 max s

43 160 165 o adatokra (4.13) sszefggs felhasznlsval meg kell ha-trozni azt az 3, rtket, ameddig a robotkart mozgat hidraulikus hengerelmozdulhat. Majd innen 32 fokozatos cskkentsvel addig hajtjuk vgre

az 3, rtk szmtst, amg el nem jutunk a 32 min rtkig. Ekkor a CB

szakaszon a meridin grbe svban csonkul, a hatrol grbe ORG -blmeghatrozhat OG egyenes szakasszal az O pontbl rajzolt krv. A svcsonkuls oka a konstrukcis korlt.

b) ;3max3, a ebben az esetben

43

160 165 o s 32 32

min

adatokra (4.13)-bl meg kell hatrozni 3, rtkt. Majd 32 fokozatos n-

velsvel addig szmtjuk 3, rtkt, mg el nem rjk max3, nagysgot. Az

max3,

rtkhez tartoz 32 szghelyzet s 32min rtk kztt csonkul ameridin grbe szintn egy, az elz pontban meg-hatrozott krvv. Az

max3,

rtkhez tartoz 32min s 32 max tartomnyban ,

max3,3 llan-

d marad s segtsgvel 32 tovbbi vltoztatsval (4.45) alapjn megha-trozhat 43max rtkei, illetve (4.43) sszefggsekkel a meridin grbe

; z koordinti.A 4.40. brn vzolt helyzetben is kt eset klnbztethetmeg s az

elzekben lert gondolatmenet kvethetvgig:a) ;3

,min3 a e felttel fennllsakor 32 32 max s

43 30 35 o adatokra meg kell hatrozni azt az 3, rtket, ameddig a

robotkart mozgat hidraulikus henger elmozdulhat. a 4.39. brhoz tett meg-jegyzs a) pontja szerint itt is svban torzul a meridin grbe, amely term-szetesen itt is egy krv, a sugara a 4.40. bra OG egyenes szakasza.

b) ;3,

min3 a ebben az esetben 43 30 35 o s 32 32 min

adatokra kell meghatrozni 3, rtkt, majd 32 fokozatos nvelsvelegszen addig vgezzk a szmtst, amg , min3

,3 rtkt el nem ri. A

32min s az,

min3 rtkhez tartoz 32 rtkek kztti szgtartomnybancsonkul a munkatr s meridin metszetnek hatrol grbje ez esetben iskrv lesz. Az , min3 rtkhez tartoz 32 szgkoordinta s 32max tarto-

mnyban , min3 itt is lland rtk marad (4.46) egyenlet segtsgvel ebben


88/210

88 ROBOTTECHNIKA I.


az esetben is szmthatk 32min rtkei, illetve (4.45) felhasznlsval ameridin grbe ; z koordinti.

Pldaknt szmtsuk ki az albbi adatokkal rendelkezB tpus csuk-

lkaros robot meridin metszetnek cscspontjait

.135

,55

,65

,mm1400

,mm1100,mm200a

,mm1600

,mm1250

,mm825

,mm225

,mm600

max32

min32

21

,max3

,min3

4

3

2

*2

1

a) Az adatokbl lthat, hogy a3,

max3 . A meridin metszet B

pontjnak koordinti a (4.42) sszefggsekbl:

B

B

mm

z

mm

1250 1600 165 55 1600 165 55

1250 1600 0 9659 0 57357 1600 0 25881 0 81915

1603 422 339 207 1942 64

825 1250 1600 165 55 1600 165 55

825 1250 1600 0 9659 0 81915 1600 0 2588 0 57357

825 2289 924 237 513 2877 41

cos cos sin sin

, , , ,

, , , ,

cos sin sin cos

, , , ,

, , , .

o o o o

o o o o

A robotkarok llst a B pontban a 4.41. bra mutatja.


89/210



a

l3

l,

a

l4

32min

O O

R

S

= g ( )43 min 32

1

165o

3

l 2

z

32 min

32 max

D2 A

B

C2

C1

D1

4.41. bra

Az brn az is lthat, hogy a vzolt helyzetben a hidraulikus henger ,3

kinylsa nem rte el az , max3 rtket.

Ezek utn hatrozzuk meg a vzolt helyzethez (a B ponthoz, ahol

43 165os 32 32 55 min

o) az ,3 rtkt a (4.13) egyenletbl nyert

32323

2

3243

32323

2

32322

3,3

cosa2a

sinaarcsincos.

cosa2aa2

cosa2a2

(4.47)


90/210

90 ROBOTTECHNIKA I.


sszefggs segtsgvel. A szmadatokat behelyettestve:

.mm,

cos

sinarcsincos

cos

cos,

191333

55125020021250200

55200165

551250200212502002002

551250200220021250

22

22

223

addik, igazolva az elbbi lltst, hogy a hidraulikus henger kinylsa nemri el az mm1400, max3 rtket.

A 32 rtkt fokozatosan nvelve (4.47)-bl meghatrozhatjuk azt a32 rtket, ahol

,max3

,3 lesz. A szmtsokat a 4.42. brn foglaltuk

ssze. Az bra alapjn 1400, max3 mm hengerkinylshoz 32 75 5 ,o

tartozik.

1300

1325

1350

1375

1400

1425

1450

55 57.5 60 62.5 65 67.5 70 72.5 75 77.5 80

32

3

,

4.42. bra

Documents

Kulcsar_Robottechnika_1