Podstawy robotyki

Literatura:

Craig J. J.: Wprowadzenie do robotyki, WNT, Warszawa, 1995.

Spong M. W., Vidyasagar M.: Dynamika i sterowanie robotów, WNT, Warszawa, 1997.

Buratowski T. : Postawy robotyki, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, AGH, Kraków 2006

WprowadzenieRobotyka jest stosunkowo nową dziedziną nauki, która łączy różne tradycyjne gałęzie nauk technicznych.

Zrozumienie zawiłości budowy robotów i ich zastosowań wymaga znajomości zagadnień elektrycznych, mechanicznych, inżynierii przemysłowej, 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.

Historia robotykiPojęcie "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 dotąd, dopóki nie jest to sprzeczne z prawem o wyższym priorytecie.

Roboty stacjonarne (manipulacyjne)

Pierwsze roboty przemysłowePo gwałtownym rozwoju techniki w czasie drugiej wojny światowej w 1956 roku G.C. Devol i J.S.Engelberger rozmawiając o twórczości Assimov'a postanowili stworzyć działający egzemplarz robota. Engelberger założył firmę "UNIMATION" zajmującą się automatyzacją w szerokim tego słowa znaczeniu i będącą pierwszą firmą produkującą roboty.

Pierwszym robotem stworzonym przez "Unimation" był robot nazwany "UNIMATE". W wyniku, czego Engelberger został nazwany ojcem robotyki.

Pierwszy Unimate zainstalowany został w fabryce General Motors w Trenton przy obsłudze wysokociśnieniowej maszyny odlewniczej, w kolejnych latach roboty Unimate zostały przystosowane do pracy także w innych gałęziach przemysłu.

Rozwój robotykiWedług 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".

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.

Ważne daty w historii robotyki:

1920 - Słowo robot pojawiło się po raz pierwszy w literaturze, użyte w sztuce "Opilek" Czeskiego pisarza Karel'a Ĉapka.

1942 - Issac Assimov umieszcza termin robotyka w swojej noweli science-fiction i formułuje Trzy Prawa Robotyki.

1947 - Opracowanie pierwszego teleoperatora z serwonapędem elektrycznym

1954 - Zaprojektowanie pierwszego programowalnego robota przez Georg'a Devola

1956 - Zakupienie praw do robota Devola i założenie firmy Unimation przez Josepha Engelbergera, studenta fizyki na Uniwersytecie Columbia

1958 - Pierwszy prototyp robota Unimate zainstalowany w fabryce General Motors

1961 - Opracowanie pierwszego robota ze sprzężeniem zwrotnym od siły

1968 - Unimation otrzymuje zamówienie na serie robotów z zakładów General Motors.

1969 - W Unimate General Motors rozpoczęto montaż nadwozi Chevrolet'a Vega przy pomocy robotów Unimate.

1971 - Opracowanie robota Stanford Arm na Uniwersytecie Stanford.

1973 - ASEA część przedsiębiorstwa Vasteras ze Szwecji prezentuje roboty elektryczne IRb 6 i IRb 60 przeznaczonych do automatycznych operacji szlifierskich.

1974 - Wprowadzenie przez firmę Cincinnati Milacron robota ze sterowaniem komputerowym.

1978 - Wprowadzenie przez firmę Unimation robota PUMA (Programmable Universal Assembly), opracowanego na podstawie projektu powstałego w trakcie badań w fabryce General Motors

1979 - Wprowadzenie robotów SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) w Japonii.

1984 - Zostaje opracowany PROWLER, pierwszy z serii robotów militarnych

1986 - Rozpoczęcie prac nad robotem humanoidalnym przez firmę HONDA

1998 - Robot mobilny Sojourner ląduje na Marsie 4 lipca

1998 - Skonstruowanie pierwszego bionicznego ramienia

Pojęcia podstawowe i definicje

Dziedzina nauki i techniki zajmująca się problemami mechaniki, sterowania, projektowania, pomiarów, zastosowań oraz eksploatacji manipulatorów i robotów to robotyka.

Jednym z fundamentalnych pojęć związanych z robotyką jest pojęcie maszyny cybernetycznej, jest to 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.

Manipulator jest to mechanizm cybernetyczny przeznaczony do realizacji niektórych funkcji kończyny górnej człowieka. Należy wyróżnić dwa rodzaje funkcji manipulatora: manipulacyjną, wykonywaną przez chwytak i wysięgnikową, realizowaną przez ramię manipulatora.

Robot jest to urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji niektórych funkcji manipulacyjnych i lokomocyjnych człowieka, posiadające określony poziom energetyczny, informacyjny i inteligencji maszynowej. Inteligencja maszynowa to autonomia działania w pewnym środowisku.

Istnieje w robotyce pewna klasa robotów, którą tworzą maszyny kroczące, czyli urządzenia techniczne przeznaczone do realizacji wybranych funkcji podobnych do funkcji lokomocyjnych zwierząt i owadów posiadających kończyny (kręgowce) lub odnóża (owady).

Mobilne roboty jest to klasa robotów, które mogą się przemieszczać za pomocą kół lub gąsienic.

Roboty I generacji to roboty zaprogramowane najczęściej na określoną sekwencję czynności (istnieje możliwość ich przeprogramowania). W robotach tej generacji stosowano przeważnie otwarty układ sterowania tak więc robot charakteryzuje się całkowitym brakiem sprzężenia zwrotnego od stanu manipulowanego przedmiotu.

Roboty II generacji to roboty wyposażone w zamknięty układ sterowania oraz czujniki pozwalające dokonywać pomiarów podstawowych parametrów stanu robota i otoczenia. 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.

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.

Podstawowe układy i zespoły

Roboty przemysłowe składają się z następujących trzech podstawowych układów: zasilania, sterowania i ruchu.

Układ zasilania

Układ zasilania w przypadku stosowania różnych napędów zawiera różne elementy. Układ zasilania w przypadku stosowania jako jednostek napędowych serwonapędów elektrycznych zawiera oprócz typowego sprzętu elektrycznego:

ˇ układy tyrystorowe oraz układy prostownikowe do zasilania silników prądu stałego. ˇ przemienniki częstotliwości i napięcia do zasilania silników prądu przemiennego.Układ zasilania w przypadku stosowania jako jednostek napędowych serwonapędów pneumatycznych zawiera

oprócz sprzętu elektrycznego służącego do zasilania elementów elektrycznych układu także sprężarkę. Układ zasilania w przypadku stosowania jako jednostek napędowych serwonapędów hydraulicznych zawiera oprócz sprzętu elektrycznego służącego do zasilania elementów elektrycznych układu typowy sprzęt związany z napędami hydraulicznymi, czyli pompę, zbiornik oraz układ chłodzenia/ogrzewania płynu roboczego.

Układ sterowania

Jednostka sterownicza w przypadku stosowania komputerowego sterowania robota zawiera główny pulpit sterowniczy maszyny ze wskaźnikami oraz przyciskami do ręcznego sterownia i wprowadzania informacji. W obecnie produkowanych robotach przemysłowych nieodłącznym elementem układu sterowania jest ręczny panel sterujący. Za pomocą takiego panelu można ręcznie sterować robotem, pisać program sterujący, uruchomić, zatrzymywać programy.

Układ ruchu

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 (jeden stopień swobody mechanicznej), a więc pary o wzajemnym ruchu postępowym lub obrotowym.

Wspomniane pary kinematyczne klasy V to przeguby obrotowe służące do obrotu jednego członu względem drugiego, oraz przeguby pryzmatyczne umożliwiające ruch postępowy pomiędzy członami.

Parametry opisujące manipulatory i roboty

Typowy manipulator robota można modelować jako łańcuch sztywnych członów nazywanych ogniwami.

Ogniwa są połączone za pomocą złączy.

Łańcuchy kinematyczne można podzielić na trzy grupy:

-proste otwarte

-proste zamknięte

-złożone

Najczęściej manipulator robota jest zbudowany w postaci łańcucha otwartego prostego.

Dwa ogniwa manipulatora połączone złączem tworzą parę kinematyczną.

Sposób połączenia w parze kinematycznej (nałożone więzy) określają klasę pary kinematycznej.

W zależności od ilości nałożonych więzów wyróżniamy klasy od I do V.

W konstrukcjach robotów dominują połączenia klasy V, dające tylko jeden stopień swobody mechanicznej w parze kinematycznej (obrót lub przesunięcie).

Manipulatory i roboty przemysłowe najczęściej posiadają otwarty łańcuch kinematyczny. Łańcuchy te składają się z kilku ogniw czynnych umożliwiających przestrzenne przemieszczanie i orientacje końcówki roboczej, czyli efektora.

Liczba stopni swobody jest to ilość zmiennych położenia, jaką należy podać w celu określenia układu w przestrzeni. W celu wyznaczenia liczby stopni swobody korzysta się ze wzoru:

gdzie: w - liczba stopni swobodyn - liczba członów ruchomychpi - liczba połączeń odpowiedniego rodzaju

44546 w

Jak łatwo można zauważyć liczba stopni swobody otwartego łańcucha kinematycznego jest równa liczbie par kinematycznych klasy piątej, obrotowych i przesuwnych.

Jednostkę kinematyczną manipulatora tworzy mechanizm kinematyczny wraz z dołączonymi napędami. Mechanizm maszyny manipulacyjnej określają dwa parametry kinematyczne:

1. ruchliwość - liczba stopni swobody łańcucha kinematycznego mechanizmu z unieruchomionym członem -podstawą;

2. manewrowość - liczba stopni swobody łańcucha kinematycznego mechanizmu z unieruchomionymi: członem - podstawą i członem - ostatnim w łańcuchu kinematycznym;

Pierwszy z tych parametrów określa liczbę więzów, jaką należałoby nałożyć na mechanizm, aby go całkowicie unieruchomić. Drugi - podobnie, ale po dodatkowym jeszcze unieruchomieniu ostatniego wolnego członu, a więc określa swobodę ruchu mechanizmu w przypadku gdy np. chwytak lub narzędzie jednostki kinematycznej zajmuje ściśle określone położenie.

Z ilością stopni swobody manipulatora związane jest pojęcie robota redundantnego (nadmiarowego).

Robot redundantny to taki robot, w którym liczba stopni swobody jest większa od liczby zmiennych koniecznych do opisu położenia.

X

YNp. pokazany obok płaski robot posiadający 3 złącza obrotowe (3 stopnie swobody), a do opisu położenia konieczne są dwie zmienne.

Powtarzalność jest wielkością określającą jak blisko manipulator może dojść do pozycji uprzednio osiągniętej.

Na powtarzalność wpływa w pierwszym rzędzie rozdzielczość układu sterowania. Przez rozdzielczość układu sterowania należy rozumieć najmniejszy przyrost ruchu, który układ sterowania może rozpoznać. Przeguby pryzmatyczne zwykle mają większą rozdzielczość niż złącza obrotowe, gdyż najkrótszą drogą pomiędzy dwoma punktami w przestrzeni jest linia prosta.

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.

Na dokładność manipulatora wpływają:

- błędy obliczeniowe

- dokładność obróbki poszczególnych elementów konstrukcyjnych

- elastyczność poszczególnych członów

- luzy w przekładniach

- oraz wiele innych elementów statycznych i dynamicznych

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.

Osie obrotowe mają 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.

Przestrzeń robocza: całkowity obszar, do którego sięga końcówka robota przy pełnych zakresach

możliwych ruchów; ograniczona jest przez geometrię robota i mechaniczne

ograniczenia ruchów

Przestrzeń robocza osiągalna: całkowity zbiór punktów osiągalnych przez końcówkę robota;

jest ona podzbiorem przestrzeni roboczej.

Przestrzeń robocza pełnej sprawności: całkowity zbiór punktów osiągalnych przez końcówkę

robota z dowolną zadaną orientacją;

jest ona podzbiorem przestrzeni roboczej osiągalnej.

Pod pojęciem struktury kinematycznej łańcucha lub mechanizmu rozumie się określenie schematu kinematycznego w postaci szkicu, wykorzystującego oznaczenia członów i połączeń par kinematycznych.

Struktury kinematyczne

1. Konfiguracja kartezjańska (PPP)

Manipulator, którego trzy pierwsze złącza są pryzmatyczne, jest nazywany manipulatorem kartezjańskim

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.

Struktura kartezjańska PPPPrzestrzeń robocza

2. Konfiguracja cylindryczna (RPP)

Pierwsze złącze jest obrotowe i wykonuje obrót względem podstawy, podczas gdy następne złącza są pryzmatyczne (przesuwne). W takiej strukturze zmienne złączowe są jednocześnie współrzędnymi cylindrycznymi końcówki roboczej względem podstawy, a przestrzenią roboczą jest niepełny cylinder.

Przestrzeń roboczaStruktura cylindryczna RPP

3. Konfiguracja sferyczna (RRP)

Konfiguracja sferyczna RRP Przestrzeń robocza

W konfiguracji sferycznej dwa pierwsze złącza są obrotowe a trzecie jest pryzmatyczne.

4. Konfiguracja SCARA (RRP)

Konfiguracja SCARA (Selective Compliant Articulated Robot for Assembly), obecnie jedna z często występujących struktur w przemyśle.

Konfiguracja SCARA (RRP)Przestrzeń robocza

RH-5AH firmy MITSUBISHIYK1000X firmy YAMAHA

Adeptthree firmy ADEPT

Głównym przeznaczeniem tej klasy manipulatorów jest montaż elementów i podzespołów oraz powtarzalne przenoszenie detali oraz ich sortowanie. Strukturę tę również wykorzystuje się do tworzenia obwodów drukowanych w elektronice.

5. Konfiguracja stawowa (antropomorficzna) (RRR)

Konfiguracja antropomorficzna (RRR)

Przestrzeń robocza

Mitsubishi RV-2AJ IRB-140 (ABB) IRB-6600 (ABB)

Do grupy manipulatorów antropomorficznych zalicza się te manipulatory które posiadają strukturę składającą się z trzech złącz obrotowych.

Przedstawiona struktura manipulatorów nosi również nazwę manipulatorów z łokciem.

konfiguracja oznaczenie zalety wady

kartezjańska PPP 3 liniowe napędy, łatwość wizualizacji pracy, łatwa w programowaniu, duża sztywność

Wymaga dużego miejsca do pracy

cylindryczna RPP 2 liniowe napędy + 1 obrotowy pozwala osiągnąć położenie wokół siebie,ruch obrotowy łatwy w programowaniu

Niewykonalne osiągnięcie położenia efektora ponad manipulatorem, niewygodna w omijaniu przeszkód

antropomorficzna RRR 3 napędy obrotowe pozwalają omijać przeszkody, stosunkowo duża przestrzeń robocza,

Struktura trudna do programowania, 2 lub 4 sposoby osiągnięcia pozycji w przestrzeni, najbardziej skomplikowana struktura

sferyczna RRP 1 napęd liniowy + 2 obrotowe dają stosunkowo duży zasięg poziomy

niewygodna w omijaniu przeszkód, stosunkowo mały zasięg pionowy

SCARA RRP 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.

Końcówka sferyczna i chwytaki robotów

Końcówką (kiścią) lub sprzęgiem manipulatora nazywa się przegub pomiędzy ramieniem a dłonią. Przeguby kiści są prawie zawsze obrotowe. Wiele manipulatorów wyposażonych jest w kiść sferyczną, której osie przegubów przecinają się w jednym punkcie. Schemat kiści sferycznej przedstawiono na rysunku. Kiść o takiej strukturze w dużym stopniu upraszcza analizę kinematyki manipulatora oraz pozwala w prosty sposób rozdzielić pozycjonowanie i orientowanie obiektu.

- odchylenie (yaw)

- nachylenie (pitch)

- obrót (roll)

Jednym z najważniejszych elementów manipulatora jest końcówka robocza, często nazywana efektorem lub chwytakiem, natomiast ramię i kiść, tworzące manipulator, są używane przede wszystkim do pozycjonowania końcówki roboczej i narzędzia.

Chwytak jest niezbędnym wyposażeniem jednostki kinematycznej maszyny manipulacyjnej wykonującej w procesie produkcyjnym zadanie transportowe.

Zadanie transportowania obiektu przez maszynę manipulacyjną składa się z trzech elementarnych czynności:- pobrania obiektu- trzymania obiektu w trakcie jego transportowania- uwolnienia obiektu w miejscu docelowym

Chwytak jest urządzeniem nakładającym na transportowany obiekt tyle ograniczeń swobody ruchu, ile potrzeba do zapewnienia pożądanego w danym procesie produkcyjnym przebiegu transportowania.

Ze względu na zasadnicze różnice w budowie wyróżnia się chwytaki:

- ze sztywnymi końcówkami chwytnymi- ze sprężystymi końcówkami chwytnymi- z elastycznymi końcówkami chwytnymi- adhezyjne (podciśnieniowe, magnetyczne)- specjalne urządzenia chwytające.

- przez wytworzenie pola sił działających na obiekt - chwytanie siłowe - przez wytworzenie połączeń między elementami chwytaka i obiektem, których więzy odbierają obiektowi

żądaną liczbę stopni swobody - chwytanie kształtowe

Ograniczenia swobody ruchu transportowego obiektu realizowane są dwoma sposobami:

W zależności od sposobu przemieszczania się końcówek chwytnych pod wpływem siły wytworzonej przez mechanizm napędowy wyróżnia się ruch końcówek:

Można wyróżnić również chwytaki przeznaczone do chwytu zewnętrznego i chwytu wewnętrznego.

nożycowy szczypcowy imadłowy

Chwytaki siłowe podczas chwytania działają na obiekt manipulacji siłami w stronę powierzchni obiektu albo przeciwnie - od obiektu w kierunku chwytania. W pierwszym przypadku, charakterystycznym dla chwytania dwiema przeciwległymi końcówkami , na obiekt działają dwie równe, co do wartości, przeciwnie skierowane siły. Na powierzchni obiektu powstają naprężenia, a w czasie manipulowania obiektem pojawia się siła tarcia statycznego, przeciwdziałająca przemieszczaniu się obiektu względem chwytaka. W praktyce stosowane jest często chwytanie siłowo-kształtowe. Końcówki chwytne chwytaka swoim kształtem ograniczają swobodę ruchu obiektu i jednocześnie działając na obiekt siłami uniemożliwiają mu przemieszczanie się w kierunkach niezabezpieczonych ograniczeniami kształtowymi.

Sztywno zamocowane do mechanizmu napędowego końcówki chwytne, nieodkształcalne przy wywieraniu nacisku na powierzchnie obiektu manipulacji, stwarzają możliwość łatwego przystosowania chwytaka dla różnych obiektów i do różnych warunków procesu manipulacji obiektem. Wymiana kształtowych nasadek końcówek chwytnych umożliwia uchwycenie obiektu o dowolnych kształtach i wymiarach.

Elastyczne końcówki chwytne zmieniając swój kształt pod wpływem dostarczonej energii (zwykle sprężonego powietrza) oddziaływują na obiekt manipulacji w taki sposób, że powodują jego siłowo-kształtowe unieruchomienie. W przykładowym rozwiązaniu konstrukcyjnym chwytaka z elastycznymi końcówkami dwie umieszczone przeciwległe końcówki chwytne wykonane ze specjalnie wyprofilowanego elastomeru mają nierówne pola powierzchni i pod wpływem sprężonego powietrza podawanego do ich wnętrza odkształcają się łukowo.

Ze względu na prostotę konstrukcji chwytaków podciśnieniowych, niewielki ciężar i zwykle mały koszt wykonania, chwytaki te są powszechnie stosowane. Jednak ich zastosowanie ograniczone jest następującymi warunkami: - przenoszone mogą być tylko te obiekty, które mają powierzchnię płaską lub kulistą o dużej gładkości - niezbędna jest szczelność przyssawki- trwałości przyssawki gumowej jest niewielka - ograniczona temperatura stosowania - między przyssawką a obiektem powinna powstać siła tarcia statycznego

Chwytaki podciśnieniowe

W chwytakach magnetycznych, w celu wytworzenia pola sił działającego na ferromagnetyczny obiekt manipulacji stosuje się: magnesy trwałe, elektromagnesy oraz układy zbudowane z magnesów trwałych i elektromagnesów.

W chwytaku z magnesem trwałym obiekt trzymany jest dzięki działaniu sił pola magnetycznego, a jego uwolnienie dokonywane jest mechanicznie np. za pomocą dodatkowego siłownika. W chwytakach z elektromagnesem obiekt trzymany jest w czasie przepływu prądu przez uzwojenie.

Chwytaki magnetyczne

Podstawowymi czujnikami, w jakie wyposażone są chwytaki maszyn manipulacyjnych stosowanych współcześnie w robotyzacji procesów produkcyjnych, są:

- czujniki zbliżenia chwytaka lub końcówek chwytnych do obiektu - czujniki dotyku końcówek chwytnych do powierzchni obiektu - czujniki nacisku końcówek chwytnych na obiekt

Napędy robotów

1. pneumatyczny – siłownik pneumatyczny jednostronnego (dwustronnego) działania

Doprowadzenie gazu pod ciśnieniem do jednej z komór siłownika

powoduje przemieszczenie się tłoka wewnątrz cylindra siłownika, co

skutkuje przemieszczeniem się końcówki roboczej zamocowanej do tego tłoka.

zalety: prostota konstrukcji; odporność na ciężkie warunki; duży moment

napędowy

wady: brak możliwości zatrzymania w dowolnym położeniu; duży wpływ

obciążenia na prędkość ruchu ze względu na ściśliwość medium

W łańcuchu kinematycznym robotów stacjonarnych każda para kinematyczna jest „parą aktywną”.

Oznacza to, że z parą kinematyczną związany jest napęd służący do realizacji ruchu.

Rodzaje napędów:

2. hydrauliczny: podobnie jak w napędzie pneumatycznym wykorzystany siłownik; medium jest

olej; doprowadzenie oleju do jednej z komór siłownika powoduje przemieszczenie

się tłoka wewnątrz cylindra siłownika, co skutkuje przemieszczeniem się końcówki

roboczej zamocowanej do tego tłoka.

zalety: dobre własności dynamiczne; łatwość sterowania; duże momenty napędowe

wady: mała sprawność; instalacja dostarczająca i odbierająca ciecz roboczą;

podatność cieczy na zmiany temperatury;

3. elektryczny: wykorzystanie silników elektrycznych prądu stałego;

zalety: duża niezawodność; prostota układu zasilania i sterowania; dobre dostosowanie

do sterowania elektronicznego; wysoka sprawność; dokładność i powtarzalność

ruchów zdecydowanie lepsza niż w napędach płynowych; łatwość regulacji

prędkości obrotowej;

wady: nieduży moment napędowy; konieczność stosowania przekładni dla zwiększenia

momentu;

Układy pomiarowe

Dla poprawnego ustawienia końcówki robota (końca łańcucha kinematycznego) w zadanym punkcie przestrzeni roboczej konieczny jest pomiar aktualnego położenia.

Dwie metody pomiaru, w zależności od stosowanych czujników:

-pomiar bezwzględny (absolutny)

-pomiar względny (przyrostowy)

W pomiarze bezwzględnym istnieje wzajemnie jednoznaczne przyporządkowanie każdej pozycji – liczby.

W pomiarze względnym, pomiar uzyskujemy względem pewnej bazowej pozycji startowej.

W sterownikach robotów wykorzystuje się najczęściej przetworniki drogi kątowej (przy pomiarze przemieszczenia liniowego stosowane są przekładnie pomiarowe).

1. resolwer – transformator położenia kątowego

Konstrukcja podobna do małego silnika elektrycznego; stojan ma dwa uzwojenia ustawione względem siebie pod kątem prostym, a wirnik jedno uzwojenie; najczęściej wykorzystywany jako przesuwnik fazy:

)sin(

)sin()cos()2

cos()cos(

)cos()sin()cos(

)sin(

21

2

1

2

1

tEVVV

tEtEV

tEVtEVtEV

RRR

R

R

Do realizacji pomiarów (kąta obrotu lub przesunięcia) wykorzystuje się dwa typowe w robotyce czujniki pomiarowe:

Optyczny enkoder przyrostowy składa się z fotoemitera, tarczy, fotodetektora i układu logicznego. Zasada działania jest następująca: wysyłana przez fotoemiter skupiona wiązka światła, pada na zakodowany wzór obracającej się tarczy, po czym fotodetektor odczytuje wiązkę przetworzonego światła, następnie układ logiczny ustala stan obrotu tarczy enkodera. Na rysunku został przedstawiony szkic budowy oraz zasada działania enkodera przyrostowego. Na tarczy enkodera występują dwa okresowe obwody kodowe A i B, przesunięte względem siebie o 1/4 okresu w skutek czego możliwe jest rozpoznawanie 4 stanów położenia na okres.

2. enkoder zliczający– przetwornik obrotowo-impulsowy

Ilość zliczonych impulsów (przy znanej liczbie znaczników na obwodzie tarczy kodowej) daje informacje o kącie obrotu.

3. Pomiar prędkości – prądnica tachometryczna

Do pomiaru prędkości obrotowej wykorzystywana jest prądnica tachometryczna.

Jest to generator małych rozmiarów, w którym magnesy stałe stojana indukują w obracającym się wirniku siłę elektromotoryczną proporcjonalną do prędkości obrotowej:

KE gdzie: K – wsp. wynikający z budowy

Można również uzyskiwać pomiar prędkości pośrednio z pomiaru położenia.

Ponieważ sterowniki mikroprocesorowe pracują z określonym stałym okresem próbkowania, to przyrost drogi w zadanym okresie czasu daje informację o prędkości.

Zaletą takiego rozwiązania jest rezygnacja z tachoprądnicy w zespole napędowym, co wpływa korzystnie na bezwładność.

Przekładnie

Przekładnia ślimakowa – przekładnia zębata o osiach prostopadłych leżących w dwóch różnych płaszczyznach. W przekładniach ślimakowych współpracują dwa elementy o odmiennej konstrukcji:

•ślimak: wirnik śrubowy z gwintem trapezowym•ślimacznica (koło ślimakowe): koło zębate z zębami śrubowymi, wklęsłe w przekroju wzdłużnym. Przekładnia śruba-nakrętka– jest przekładnią mechaniczną

złożoną ze śruby i nakrętki. W przekładni tej zamianie ulega ruch obrotowy jednego z jej elementów na ruch liniowy drugiego.

Przekładnie stosowane są w zespołach napędowych wykorzystujących silniki prądu stałego. Konieczność ich wykorzystywania wynika z małego momentu napędowego oraz za dużej prędkości obrotowej.

Zapewniają zmniejszenie prędkości obrotowej oraz zwiększenie momentu napędowego.

Przekładnie planetarne charakteryzuje:

• uzyskiwanie bardzo dużych przełożeń przy małych wymiarach zewnętrznych,

• wysoka trwałość,

• zwartość budowy,

Przekładnia planetarna składa się z dwóch współśrodkowych kół zębatych: koła centralnego oraz koła pierścieniowego zewnętrznego. Miedzy nimi umieszczone są małe koła zębate, tzw. satelity, połączone ze sobą jarzmem (wodzidłem).

W przekładniach planetarnych stosuje się najczęściej 2, 3 lub 4 koła satelitarne, rozmieszczone symetrycznie względem koła centralnego.

Przekrój przekładni planetarnej. C - koło centralne, S – koła satelitarne, J – jarzmo, W -koło z uzębieniem wewnętrznym.

Podstawowy układ regulacji - serwomechanizm

Dla uzyskania możliwości ustawienia ramion robota z zadanym punkcie przestrzeni roboczej, każde złącze musi być złączem sterowanym. Zadanie to realizuje układ regulacji nazywany serwomechanizmem (pokazany na rysunku).

RegulatorObiekt - siłownik

i ramię robota

Zadane

położenie

Pomiar

położenia

+-

Aktualne położenieε

Podstawowym zadaniem tego układu jest zerowanie błędu położenia (ε), czyli różnicy między zadanym a aktualnym położeniem uzyskiwanym z bloku pomiaru, poprzez wykorzystanie sprzężenia zwrotnego.

Realizuje to regulator wyliczający, na podstawie wartości błędu, sygnał sterujący podawany na obiekt.

Na przykład, dla robotów wykorzystujących jako siłowniki silniki prądu stałego, regulator wyznacza wartość napięcia jakie ma być podane na silnik.

Siłownik wraz z ramieniem robota posiada pewne własności dynamiczne, charakteryzujące jego zachowanie w czasie. Z punktu widzenia położenia taki układ zachowuje się jak obiekt całkujący z inercją.

0 50 100 150 200 2500

50

100

150

200

250Step Response

Time (sec)

Ampl

itude

0 5 10 15 20 25 30 350

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4Step Response

Time (sec)

Ampl

itude

Własności dynamiczne całego układu regulacji wynikają z cech obiektu oraz wykorzystanego typu regulatora.

Dla najprostszego regulatora typu P (proporcjonalny) dynamikę można opisać obiektem II-go rzędu (równanie różniczkowe 2-go rzędu).

Możliwe do uzyskania odpowiedzi czasowe takiego układu przedstawiono na rysunku obok.

Z punktu widzenia robotów dopuszczalne są przebiegi zaznaczone liniami niebieską i czerwoną tzn. dojście ramion robota do zadanych położeń bez oscylacji.

Uzyskuje się to poprzez odpowiedni dobór nastawy regulatora P (wzmocnienia).

)1(1)(

sTsTsG

co

Tc – czas całkowania

T – stała czasowa inercji

)()(lim)(lim)(lim00

sGswssEstsstust

w(s) – wymuszenie G(s) – transmitancja błędu

Dwa zadania realizowane przez serwomechanizm:

-zadanie przestawiania (przy skokowej zmianie wartości zadanej)

-zadanie nadążania (przy zmieniającej się w czasie wartości zadanej, np. liniowo)

A. Zadanie przestawiania – błąd ustalony

GR(s)y(s)+

-ε(s)

)1(1

sTsTcw(s)

z(s)

Błąd wymuszeniowy

RRoR

w KsGsGsG

sG

)( )()(1

1)(

)1()1(

1

)1(11

1)(

TssTKTssT

TssTK

sG

c

Rc

cR

w

Rc

cw KTssT

TssTsG

)1(

)1()(

Dla w(t)=1(t) (skok jednostkowy jako wymuszenie)

0)1(

)1(1lim

1)(

0_

Rc

cswust KTssT

TssTs

s

ssw

Błąd ustalony dla skokowych zmian wymuszenia jest zerowy.

Błąd zakłóceniowy

RRoR

oz KsG

sGsGsGsG

)( )()(1

)()(

Rc

c

Rc

c

cR

cz KTssT

TssTKTssT

TssT

TssTK

TssTsG

)1(

1

)1()1(

)1(1

)1(11

)1(1

)(

RRcszust KKTssTs

s

ssz

1)1(

11lim

1)(

0_

Błąd ustalony dla skokowych zmian zakłócenia jest różny od zera.Zakłóceniem w takim układzie jest wpływ ruchu innych ramion na wybrane ramię.

Dla likwidacji błędu zakłóceniowego należałoby wprowadzić do układu dodatkowy człon całkujący w regulatorze, czyli zastosować regulator PI.

Przy kształtowaniu cech dynamicznych układu należy zapewnić podejście aperiodyczne do zadanego położenia (bez oscylacji).

Analizując równanie charakterystyczne widać, że uzyskamy to, gdy wyznaczymy warunki na wzmocnienie regulatora zapewniające podwójny pierwiastek rzeczywisty.

TT

KTTTKsTsTT

c

Rcc

Rcc

4K 0

40

R_gr

2

2

Stała czasowa T zależy od konfiguracji ramion, dlatego niestety nie da się wyznaczyć stałego grRK _

Sprzężenie tachometryczne

Dla poprawy własności dynamicznych wprowadza się w serwomechaniźmie dodatkowe sprzężenieod prędkości tzw. sprzężenie tachometryczne.

GR(s)y(s)+

-ε(s)

)1(1

sTsTcw(s)

z(s)

KD s

-

Tramsmitancja układu bez sprzężenia tachometrycznego:

Rcc

R

cR

cR

KsTTsTK

TssTK

TssTK

sG

2

)1(11

)1(1

)(

Tramsmitancja układu ze sprzężeniem tachometrycznym:

RRDcc

R

cRD

cR

KsKKTTsTK

TssTKsK

TssTK

sG

)(

)1(1)1(1

)1(1

)( 2

Współczynnik stojący przy „s” w równaniu charakterystycznym odpowiada za tłumienie w układzie.

Widać, że w układzie ze sprzężeniem tachometrycznym mamy większy współczynnik tłumienia, czyli zmniejszenie oscylacji w układzie.

Wprowadzenie sprzężenia tachometrycznego do serwomechanizmu poprawia własności dynamiczne.

Sprzężenie tachometryczne nie wpływa na wielkość błędu ustalonego.

Podobnie jak dla układu bez sprzężenia tachometrycznego możemy wyliczyć graniczny współczynnik wzmocnienia zapewniający dojście aperiodyczne krytyczne do zadanej pozycji.

Równanie charakterystyczne:

Rozwiązując to równanie ze względu na Kr otrzymujemy:

B. Zadanie nadążania – błąd ustalony

Błąd wymuszeniowy dla układu z regulatorem P

Wymuszenie: w(t)=t

Rc

cw KTssT

TssTsG

ssw

)1()1()(

1)( 2

R

c

Rc

cswust K

TKTssT

TssTs

s

)1()1(1lim 20_

W układzie nadążnym z regulatorem P pojawia się stały błąd prędkościowy, czyli nie nadążanie wyjścia za zmianami wejścia.

Zlikwidowanie tego błędu jest możliwe poprzez wprowadzenie regulatora PI.

RiRcci

ci

ci

RiRw

iRR

KsTKsTsTTTssTT

TssTsTKsTKsG

ssw

sTKsG

)1()1(

)1(11

1)(

1)(

)11()(

2

2

2

0)1(

)1(1lim 2

2

20_

RiRci

ciswust KsTKTssTT

TssTTs

s

Błąd zakłóceniowy w serwomechaniźmie z regulatorem P jest zależny od wzmocnienia regulatora (maleje ze wzrostem współczynnika wzmocnienia).Zwiększanie wzmocnienia regulatora ponad pewną wartość graniczną wprowadza w układzie oscylacje, co nie jest korzystne.Wprowadzenie regulatora PI również nie jest korzystne z punktu widzenia zadania przestawiania, bo wprowadza do układu drugie całkowanie, co powoduje zmniejszenie zapasu stabilności.