Katedra elektrotechniky a automatizace

Technická fakulta, ČZU v Praze

Miloslav LindaMichal Růžička

Vladislav Bezouška

Roboty a manipulátory

Úvod RaM

PRaM

Zápočet a zkouška

Semestrální projekt Složení zkoušky

Cíle předmětu

Seznámení s principy a činností RaM a PRaM

Rozbor jednotlivých částí systémů a subsystémů

Ukázka aplikací

Obsah přednášky

Historie oboru Základní pojmy Vývoj robotiky Klasifikace robotů Příklady nasazení

Historie oboru

Roboty jsou relativně novým druhem strojů, průmyslově využitelné prototypy vznikly v období let 1959 – 1961

Zaznamenaly rychlý rozvoj Klasické stroje a zařízení měly za

sebou mnohaleté vývojové stupně Robotika je ovšem spojení několika

vědních oborů

Základní pojmy

Nejednotnost základních pojmů v oboru nutí k promýšlení každé definice

Vlivem je spojení mnoha vědních oborů a prolínání jednotlivé terminologie

Objektivnější z hlediska terminologií bývají oborové asociace

Základní pojmy

Websterův slovník uvádí „robot je antropomorfní mechanická bytost

postavená na rutinní manuální práci pro lidské bytosti“

Robotics Institute of America zavádí „robot je reprogramovatelný multifunkční

manipulátor navržený pro přenášení materiálu, součástí, nástrojů, nebo specializovaných zařízení, pomocí variabilně programovatelných pohybů k provádění různých úkolů“

Základní pojmy

Australian Robotics and Automation Association vyjadřuje charakteristiky oboru Umožňují nějakou formu mobility Může být naprogramován k velmi

variabilním úkolům Po naprogramování již pracuje v

automatickém režimu

Základní pojmy

Slovo "robot" bylo historicky poprvé použito v roce 1920 ve hře R.U.R - Rossum's Universal Robots Karla Čapka

V technické praxi má v současné době smysl místo obecného pojmu robot využívat a definovat pojem průmyslový robot, případně servisní robot, které jsou dnes již běžně zaváděny a aplikovány v praxi

Základní pojmy

Monografie Noff: Handbook of Industrial Robots uvádí „Průmyslový robot je mechanické

zařízení, které může být naprogramováno pro vykonávání různých úkolů manipulačních a pohybových, při automatickém řízení“

Základní pojmy

International Organisation for Standardisation (ISO) zavedla definici pro roboty činné ve výrobě „Průmyslový robot (PR) je automaticky

řízený, reprogramovatelný, víceúčelový manipulační stroj, stacionární nebo umístěný na pojezdu, určený k použití v průmyslové automatizaci.“

Základní pojmy

Historicky dříve než robot byl využíván k manipulačním účelům ve strojírenské výrobě manipulátor

Uvádí se také,že jde o zařízení s nulovou úrovní inteligence, zpravidla pracující v cyklickém režimu

Pojem manipulátor má i dnes tento význam.

Základní pojmy

Manipulátor má ještě jeden význam – používá se ve spojení manipulátor robotu zde se jedná o mechanickou část robotu

(nebo také mechanický subsystém robotu, nadále zde označovaný jako akční subsystém).

Základní pojmy

Servisní robot (SR) – je aplikace robotických systémů, zaměřená k dosažení vysoké úrovně flexibility, adaptivity, bezpečnosti a účinnosti v humánním (ve smyslu – zabydleném lidmi) prostředí.

Základní pojmy

Mechatronika – pojem mechatronika se v tuzemsku začal vyskytovat asi od r. 1985.

Tehdy se objevoval téměř výhradně v publikacích japonských autorů

Základní pojmy

V souladu s názory japonských odborníků (nejen) můžeme tvrdit, že robotizované systémy jsou typickými produkty mechatroniky a tudíž výuka příslušných specialistů, i když jistě ne v nejobecnějším pojetí, je výukou mechatroniky. V plném slova smyslu mechatronickými systémy jsou i současné výrobní stroje a stále více dalších produktů dříve čistě strojírenského charakteru.

Robotika

Teoretická řeší otázky teoretické, koncepční, umělé

inteligence, senzoriky, navigace, simulace, virtuálního protypingu, aj.

Technická označovaná také jako robototechnika, zahrnující

výzkum (aplikační a průmyslový) a vývoj jednotlivých subsystémů robotů, výpočty, metody jejich návrhu, konstrukční problematiku, provoz a údržbu, aj.

Robotika

Aplikační označovanou také jako

robototechnologie, řeší problematiku nasazování průmyslových robotů ve výrobních systémech a jejich efektivnosti, projektování těchto systémů s PR, periferie robotizovaných pracovišť, programováním robotů, aj.

Robotika

Robotizované pracoviště (RP) je účelové seskupení výrobních zařízení

a jednoho či více průmyslových robotů (PR), které autonomně, v automatickém pracovním cyklu vykonává manipulační (RMP) a (nebo) technologické (RTP) operace daného výrobního procesu.

Historie a vývoj robotiky

Dějiny lidstva jsou i dějinami úsilí člověka o znásobení jeho možností, zlepšení životních podmínek a uspokojení životních potřeb. Cesta k tomuto cíli nejspolehlivěji vede přes rozvoj výroby.

Historie a vývoj robotiky

Významný krok v tomto smyslu je spojen se jmény Taylor a Ford. Henry Ford jako první na světě založil pásovou výrobu automobilů (1910)

F.W.Taylor, zakladatel tzv."vědeckého řízení" se mimo jiné zabýval normováním práce a rozkladem složitých činností pracovníků ve výrobě až na jednotlivé úkony a pohyby ruky

Historie a vývoj robotiky

U vývoje prvního průmyslového robotu byli američtí inženýři Georg Devol a Joseph Engelberger, kteří začali spolupracovat na jeho vývoji od roku 1956

Roboty byly nasazeny jako náhrada pracovníků, obsluhujících stroje pro lití pod tlakem, pro uvolnění žhavých a těžkých odlitků z formy.

Historie a vývoj robotiky

Robot měl sférickou kinematickou koncepci v polohovacím ústrojí a jeho konstruktéři velmi rozumně obešli problémy s elektropohony použitím hydropohonů, které vyhověly jak z hlediska potřebných výkonů, tak i požadavků na řízení.

Historie a vývoj robotiky

Nárůst počtu robotů 1972 – 1984, do r. 2000

Klasifikace robotů

Podle stupňů volnosti Podle kinematické struktury Podle použitých pohonů Podle geometrie pracovního prostoru Podle pohybových charakteristik Podle způsobu řízení Podle způsobu programování

Z hlediska řízení a programování

Manipulátor Jednoúčelový manipulátor, manipulátor s pevným

programmem Synchronní manipulátor

Člověk ve smyčce, man on line, master-slave Robot

Manipulátor s pružným programem Adaptivní robot

Robot reaguje na změny pracovní scény Kognitivní robot

Robot s určitou mírou inteligence

Počet stupňů volnosti

Univerzální robot Se 6 stupni volnosti, jednoznačně vymezující v

kartézském souřadném systému Redundantní robot

S více než 6 stupni volnosti, větší volnost k odcházení překážek, pohyb ve stísněném prostoru

Deficitní robot S méně než 6 stupni volnosti (SCARA), se 3-4

stupni volnosti, montáž v rovině

Kinematická struktura

Sériové roboty S otevřeným kinematickým řetězcem

Paralelní roboty S uzavřeným kinematickým řetězcem

Hybridní roboty Kombinující oba typy řetězců

Kinematická struktura

Druhy pohonů

Elektrické Hydraulické Pneumatické

V současnosti početně jednoznačně převažují konstrukce PRaM s elektrickými pohony. Pokud jsou požadovány vysoké nosnosti používají se hydraulické pohony a pro vysoké rychlosti pneumatické pohony.

Podle vykonávané činnosti

Průmyslové roboty Užívané při činnostech s výrobou

různých produktů Servisní roboty

Užívané při obslužných činnostech, v průmyslu nebo službách

Servisní robot

Geometrie pracovního prostoru

Kartézská Cylindrická Sférická Angulární SCARA

Kompaktnost konstrukce

Univerzální Univerzalitu zde chápeme jednak z hlediska

možného nasazení pro velkou třídu úloh Modulární

Modulárnost je založena na takovém konstrukčním řešení, kdy každá polohovací jednotka je samostatně zcela funkční a pomocí vyráběných sad typorozměrových polohovacích jednotek lze složit strukturu

Modulární konstrukce

Generace robotů

Nultá generace manipulátory a roboty zpravidla bez zpětné

vazby, kdy veškeré poruchy či změny ve sledované oblasti (signalizované čidly) vedou k nedovolení dalšího kroku a centrálního odpojení systému od přívodu energie

První generace roboty s jednoduchou zpětnou vazbou, schopné

přepínání několika podprogramů (předem vytvořených člověkem) a práce podle nich

Generace robotů

Druhá generace roboty se schopností optimalizace, tj. schopností

vybírat z předem zadaných programů ten optimální, podle zadaného kriteria optimalizace

Třetí generace roboty jež jsou schopné samostatné tvorby

programu, neboť se dokáží učit z nabytých zkušeností. Zde se předem zadává pouze cíl činnosti (úkol), přičemž způsob jeho splnění je ponechán na inteligenci řídicího systému

Generace robotů

Čtvrtá generace autonomními roboty se sociálním

chováním, které se chovají podobně jako člověk, tedy samostatně si volí i cíl práce.

Generace robotů

Adaptivní roboty Počínaje prvou generací se začínaly uplatňovat tzv.

adaptivní (adaptabilní) roboty, které se (díky zabudované zpětné vazbě a vyšší inteligenci řídicího systému) dokáží přizpůsobovat změně okolí. To znamená, že reagují na změnu sledovaných parametrů a automatickou změnou svého chování sledované veličiny vracejí do původního stavu. Např. zjištěné stoupání teploty chladicí kapaliny eliminují otevřením cesty do chladiče, zjištěné stoupání tlaku mimo nastavené tolerance vyrovnávají otevřením obtokových či redukčních ventilů apod.

Typickými adaptivními roboty jsou např. roboty pro svařování elektrickým obloukem, které dovedou sledovat svařovanou spáru a v případě jejích nepřesností opravují naprogramovaný chod hořáku tak, aby ze spáry nevybočil.

Generace robotů

Kognitivní roboty Přívlastek "kognitivní" (z latinského kognitio, tj. poznávání

smyslem či rozumem) je používán rovněž v psychologii, a označuje souhrnně řadu typů poznávací činnosti: vnímání, představivost, paměť, chápavost, usuzování a uvažování, nikoliv však citové a volní jednání.

Značný kvalitativní skok od běžných robotů ke kognitivním by mohl být charakterizován takto: kognitivnímu robotu je zadán pouze cíl činnosti, plán k jeho dosažení si jeho řídicí systém musí vytvořit sám. Úkolem je tedy vytvoření plánu k dosažení cíle a jeho následná realizace. Tyto dvě fáze mohou probíhat odděleně, ale mohou se též prolínat, kdy plánování je ovlivňováno zkušenostmi, získanými při realizaci.

Generace robotů

Konativní roboty Zatím nejvyšší předpokládanou generací jsou roboty

konativní (z latinského konatus, tj. snaha, úsilí), charakterizované samostatnou volbou cíle.

V současné době konativní roboty nejsou realizovány, je to pouze předpoklad - prognóza dalšího vývoje, který pravděpodobně spěje k vývoji robotů se sociálním chováním, tj. robotů, jejichž chování bude velmi podobné (až identické) s chováním člověka. To znamená, že řídicímu systému nebude nutné zadávat ani cíl jeho práce, neboť konativní robot, zařazený do určitého pracovního procesu si bude sám uvědomovat a plánovat, co je v daném okamžiku potřeba udělat.

Mobilní roboty Mobilita je specifickou vlastností, která se může

vyskytovat u všech druhů robotů a je realizována podvozkem nebo jiným systémem, který umožňuje pohyb robotu (např. kráčející roboty apod.).

Roboty nulté a první generace se jako mobilní nekonstruují; pouze tam, kde je potřeba krátkého pohybu, se přidává jeden stupeň volnosti v podobě pojíždění po pevně stanovené dráze (např. kolejnice) kolem obsluhovaných strojů nebo nad nimi. Naproti tomu u kognitivních robotů mobilita bývá velmi častá, neboť pohyb robotu po určité ploše je většinou nezbytný.

Závěr

Definice a základní dělení Možnosti řešení Generace robotů

Děkuji za pozornost