1

PREDAVANJE–2. FUNKCIONALNA STRUKTURA ROBOTA

Osnovni stavovi iz teorije mehanizama Teorija mehanizama kao oblast nauke i tehnike proučava sisteme tela međusobno

povezanih raznim tipovima veza.

Mehanizmi čine osnovu svih mašina, s tim što se kod mehanizama jedna vrsta

kretanja pretvara u drugu, a kod mašine se jedna vrsta energije pretvara u drugu.

Kinematički parovi Svaki mehanizam se sastoji iz pokretnih članova (segmenata) i nepokretnih članova

(postolja).

Kinematički par podrazumeva dva međusobno povezana tela. U zavisnosti

od načina vezivanja ta dva dela, kinematičke parove delimo na određene klase. Da

bismo te klase mogli definisati razmotridemo mogude načine veze dva tela.

1. Posmatrademo prvo jedno slobodno telo.

Ono može da se krede na šest nezavisnih različitih načina: može da se krede

translatorno duž osa x, y, z i može da se obrde oko svake od tih osa (vidi sliku 2.1),

dakle ima tri slobodne translacije i tri slobodne rotacije. Iz toga zaključujemo da je

potrebno šest veličina (koristidemo izraz parametri) da bi se jednoznačno odredio

položaj tela: tri parametra da bi se odredilo translatorno kretanje i tri da bi se

odredilo rotaciono kretanje, odnosno orijentacija tela.

2

Sl.2.1.Moguda kretanja slobodnog tela (6 stepeni slobode)

Broj stepeni slobode je broj slobodnih (odnosno mogudih) nezavisnih

kretanja, ili drugačije rečeno, to je broj nezavisnih parametara koji su potrebni da bi se jednoznačno odredio položaj tela.

2. Posmatrajmo sada dva tela, valjak i klešta, međusobno vezana na način kako je to pokazano na slici 2.2.

Valjak, u odnosu na klešta ima dve slobodne transla-cije (duž x i y ose) i dve slo-

bodne rotacije (oko x i z ose), dakle postoje ukupno 4 slobodna međusobna

kretanja ova dva tela. Zato kažemo da ovaj kinematicki par ima 4 stepena slobode.

U tabeli na slici 2.3 dati su neki slučajevi kinematickih parova, njihova moguda

kretanja, broj stepeni slobode i klasa kinematičkog para.

Sl. 2.2. Primer kinematičkog para sa 4 stepena slobode

3

Za primenu u robotici najvažniji su kinematički parovi pete klase.

Kinematicki par pete klase koji dozvoljava samo jednu rotaciju zvademo rotacionim

parom ili rotacionim zglobom, a par koji dozvoljava samo jednu translaciju

zvademo translatornim parom ili translatornim zglobom. Te parove demo

shematski crtati kao na slici 2.4.

Sl. 2.3. Izgled kinematičkih parova

4

Sl. 2.4. Rotacioni (a) i translatorni (b) zglob

Kinematički lanci

Nizove tela povezanih kinematičkim parovima nazivamo kinematičkim

lancima. Ovde demo podrazumevati da su veze oblika rotacionih ili translatornih

zglobova. Shematski, kružid između dva predstavlja bilo koji od zglobova

(sl.2.5.).Složeniji zglobovi razlažu se na zglobove pete klase između kojih se nalaze

kratki segmenti.

Sl. 2.5. Lančani sistem tela

Svako telo, elemenat lanca, nazivademo segmentom lanca. Segmente lanca

smatramo krutim, nedeformabilnim telima. Lanac se, dakle, sastoji od niza zglo-

bova i segmenata. Zglobovi su obeleženi sa , a segmenti sa 1,2, ...

1. Kinematičke lance možemo podeliti na: proste i razgranate

5

Prost lanac podrazumeva samo jedan niz segmenata pri čemu svaki segment ima

dva zgloba, prethodni i naredni, a samo poslednji u nizu ima jedan zglob. Takvi

lanci prikazani su na slici 2.6.

Razgranat lanac podrazumeva da bar jedan segment lanca nosi tri ili više zglobova

(jedan prethodni i dva ili više narednih). Dakle, lanac se grana (sl. 2.7).

Sl. 2.7. Shema razgranatog lanca U praktičnim realizacijama robotskih sistema razgranati lanci se sredu, na primer, kod antropomorfnih hodajudih robota (sl. 2.8).

a) b)

Sl. 2.8. Shemu antropomorfnog hodajudeg robota

Kinematički lanci su posebno važni u robotici zato što mehanizam svakog robota predstavlja, u stvari, jedan kinematički lanac. Na slici 2.6 predstavljeno je nekoliko manipulacionih robota i shematski su prikazani odgovarajudi kinematički lanci.

6

Sl. 2.6. Primeri manipulacionih robota sa odgovarajudim kinematičkim lancima

2. Po drugoj podeli kinematički lanci se dele na otvorene i zatvorene.

Otvoreni lanci su oni kod kojih ne postoji zatvoreni niz, tj. iz jedne tačke lanca u

drugu može se dodi samo jednim putem. Primeri ovakvih lanaca su na sl. 2.6 i 2.7.

Na sl. 2.8 (b) prikazan je antropomorfni hodajudi mehanizam u jednooslonačkoj fazi

hoda (oslonac na jednu nogu) i u toj fazi predstavlja otvoreni lanac.

7

Prost otvoren Slozen otvoren Prost zatvoren

Zatvoreni lanci poseduju bar jedan zatvoreni niz segmenata i tada se iz jedne tačke

tog niza u drugu može dodi bar na dva načina. Praktičan primer bio bi hodajudi

robot u dvooslonačkoj fazi hoda (obe noge na zemlji) prikazan na sl. 2.8 (a), kod

koga noge sa podlogom obrazuju zatvoreni niz, ili pak bilateralni(dvoručni)

manipulacioni robot prikazan na sl. 2.9.

Sl. 2.9. Dvoručni manipulacioni robot

Kombinacija prostih i složenih lanaca koji mogu biti otvoreni i zatvoreni: Za robotske mehanizme karakteristično je da tokom rada robota kinematički lanac

menja svoju strukturu od otvorene ka zatvorenoj i obrnuto. Na sl. 2.10 prikazan je

manipulacioni robot koji u fazi prenošenja predmeta (faza a) predstavlja otvoreni

lanac, a u fazi uvlačenja predmeta u otvor (faza b) predstavlja zatvoreni lanac. U

fazi b lanac je zatvoren jer ruka sa radnim predmetom, podloga robota i zid

obrazuju zatvoreni niz. Primer prikazan na ovoj slici deo je zadatka montaže.

8

a) b)

Sl. 2.10. Manipulacioni robot u zadatku montaže

Stepeni slobode kinematičkog lanca Ranije smo uveli definiciju broja stepeni za jedan kinematički par.

Slededi takvu definiciju dolazimo do toga da je broj stepeni slobode zglobnog

kinematičkog lanca jednak broju mogudih nezavisnih kretanja tog lanca, odnosno

jednak broju nezavisnih parametara potrebnih da bi se jednoznačno odredio

položaj celog lanca. Posmatrademo kinematičke lance sa zglobovima V klase,

rotacionim ili translatornim.

Sl. 2.11.Lanac sa tri stepena slobode – otvoreni lanac

Ako je u pitanju otvoreni lanac, tada je za definisanje položaja potrebno znati

pomeranja u svim zglobovima lanca, dakle za koji ugao je obrnut svaki rotacioni

zglob i koliki je pomeraj u svakom translatornom zglobu. Naime, kod takvih lanaca

9

zglobovi su međusobno nezavisni i pomera-nja u zglobovima mogu biti proiz-

voljna. Na primer, kod lanca na slici 2.11 potrebno je znati uglove i i

izduženje s3 pa takav kinematički lanac ima tri stepena slobode. Možemo

zaključiti da je kod otvorenih lanaca broj stepeni slobode jednak broju

zglobova.

Sl. 2.12. Primer zatvorenog lanca

Kod zatvorenih lanaca problem je složeniji. Broj stepeni slobode lanca nije

jednak broju zglobova. Posmatrajmo mehanizam prikazan na slici 2.12. Ovaj

zatvoreni lanac ima pet zglobova, svaki sa po jednim rotacio-nim stepenom

slobode. Za određivanje položaja ovog lanca potrebno je znati uglove i , tj.

dovoljno je znati dva parametra. Dakle, lanac ima dva stepena slobode iako

ima pet zglobova.

10

rang

klase

broj

SS VRSTE REALIZACIJA

I 5

II 4

III 3

IV 2

V 1

11

Funkcionalna struktura industrijskog robota Industrijski robot se kao složen sistem sastoji iz velikog broja međusobno povezanih

interaktivnih sistema.

Tipičan primer strukture jednog savremenog industrijskog robota je prikazan na slici

(može se redi da bi ovo odgovaralo anatomiji robota):

Uprošćeni-šematski izgled robota koji ima:

ruku (osnovna konfiguracija) i

završni mehanizam, koji čine zglobovi šake za koje se vezuje endefektor.

Završni mehanizam ose orjentacije,

zglobovi šake (wrist)

Završni organi, end efektori,

radni organi

(Tip) Vrh robota

TCP (Tool Center Point)

Mobilne dodatne ose (robokolica)

Ruka,

osnovna ili

minimalna

konfiguracija,

ose

pozicioniranja

12

Vidimo da se robot sastoji iz šest osnovnih podsistema koji izvršavanjem

svojih funkcija izvršavaju ukupnu funkciju robota:

1.Mehanički sistem

2.End efektori

3.Upravljački sistem

4.Pogonski sistem

5.Merni sistem

6.Senzorski sistem

1. Mehanički sistem

Naziva se još i mehanička struktura, mehanizam robota ili manipulator.

Ovaj sistem ima osnovnu funkciju uspostavljanja prostornih odnosa između

end efektora (alata ili hvatača) i radnog objekta.

U opštem slučaju potrebno je 6 stepeni slobode kretanja da bi se telo

slobodno pozicioniralo u prostoru (u ovom slučaju - end efektor).

Prva tri stepena slobode su osnovna(minimalna) konfiguracija (ruka) i

nazivaju se STEPENI SLOBODE ili OSE POZICIONIRANJA.

Druga tri stepena slobode su ose orijentisanja i izvode ih zglobovi šake.

Manipulator se sastoji iz segmenata povezanih obrtnim ili translatornim

zglobovima koji su osnaženi pogonskim sistemima, obično je fiksiran za podlogu ali

može imati i dodatne (mobilne) ose ili robokolica (AGV). Može se napomenuti da je

korišdenje reči MANIPULATOR za jednostavne robote POGREŠNO!!!

2. End efektori

Nazivaju se još i završni uređaji ili radni organi.

13

Oni mogu biti alati ili hvatači koji imaju zadatak hvatanja i držanja objekata

(hvatači) ili imaju ulogu obavljanja procesa (alati) kao što su zavarivanje, bojenje,

obrada, itd.

3. Upravljački sistem

Ovaj sistem omogudava memorisanje, odvijanje toka programa, vezu sa

perifernim uređajima, upravljanje i nadgledanje izavršavanja pojedinih funkcija.

Na današnjem nivou razvoja, upravljački sistemi su gotovo uvek zasnovani na primeni računara. Po načinu kretanja, upravljanje može biti:

tačka po tačka, ili

upravljanje po koturi.

4. Pogonski sistem

Ovaj sistem ima funkciju pretvaranja i prenosa energije do pojedinih osa. To

su električni, pneumatski ili hidraulični motori sa ili bez prenosnika.

5. Merni sistem

Ovaj sistem predstavljaju unutrašnji senzori koji omogudavaju merenje

položaja i brzine pojedinih osa (potenciometri, enkoderi, rizolveri, taho-generatori,

itd.)

6. Senzorski sistem

Ovaj sistem omogučava obuhvatanje uticaja okoline, merenje fizičkih veličina i

prepoznavanje oblika i položaja.

14

Klasifikacija robota

Klasifikacija je moguda po više kriterijuma:

po nameni;

stepenu univerzalnosti;

kinematičkim, geometrijskim i energetskim parametrima;

po metodama upravljanja.

Prema JARA klasifikaciji (Japanese Robot Association) po tipu upravljanja roboti se

svrstavaju u 5 klasa:

1. Ručni manipulacioni uređaji: su uređaji sa nekoliko stepeni slobode kojima

upravlja čovek;

2. Sekvencijalni roboti: manipulacioni uređaji sa fiksnim ili promenljivim

sekvencijalnim upravljanjem (teško se programiraju);

3. Ponavljajudi (play back) roboti: operator izvršava zadatak vodedi robot koji

memoriše trajektorije koje se kasnije ponavljaju;

4. NU roboti: programiraju se tekstualnim jezicima slično kao NUMA;

5. Adaptivni roboti: korišdenjem senzorske informacije i veštačke inteligencije

(AI) ovi roboti razumeju zadatak i okolinu i donose odluku u realnom

vremenu.

Druga klasifikacija deli IR na generacije:

I generacija (programski roboti) - do 4. iz prethodne klasifikacije;

II generacija (adaptivni roboti) - 5. iz prethodne klasifikacije;

III generacija (inteligentni roboti) - 5. i dalje iz prethodne klasifikacije.

Za razliku od računara, generacije robota ne smenjuju jedna drugu iz razloga

postojanja različitih nivoa zadataka u industriji.

15

Prema nameni, IR se grubo mogu klasifikovati na slededi način:

Tehničke karakteristike IR

broj stepeni slobode

radni prostor

nosivost

tačnost pozicioniranja

ponavljajuda tačnost pozicioniranja

rezolucija

brzina

manipulacija obavljanje

procesa

manipulacija i

obavljanje proc. specijalni

zadaci

zavarivanje rezanje bojenje sečenje laserom ...

montaža ...

merenje i kontrola ...

paletizacija/ depaletizacija

opsluživanje

mašina

INDUSTRIJSKI ROBOTI