UNIVERZITET U TUZLI MAINSKI FAKULTET

S E M I N A R S K I R A D

Tema:Naini gibanja robota (elementi,detaljni opisi,konstrukcijski elementi)

Predmet:INDUSTRIJSKI I MOBILNI ROBOTI

Ime i prezime:Sejfo Hadi

Broj indeksa:III-224/09

Odsjek:Mehatronika

Datum:23.02.2013

SADRAJ

SADRAJ2POPIS Slika31.UVOD42.DEFINICIJA I OSNOVNI POJMOVI MOBILNIH ROBOTA53.DINAMIKA ROBOTA64.GRAA ROBOTA I OSNOVNE STRUKTURE MANIPULATORA105. NAINI KRETANJA MOBILNIH ROBOTA136.VIESLONI MOBILNI ROBOTI157.ZAKLJUAK17

POPIS Slika

Slika 1.0. Primjeri mobilnih robotaSlika 2.0. Vojni mobilni robotSlika 3.0. Robot kao otvoreni kinematiki lanacSlika 3.1. Izdvajanje jednog segmenta lancaSlika 3.2. Sila i momenti u rotacionom zglobuSlika 4.0. Neki tipovi zglobova robotskog manipulatoraa) Pravokutna konfiguracija robotab) Cilindrina konfiguracija robotac) Sferna konfiguracija robotad) Scara robote) Rotacijska konfiguracija robotaSlika 5.0. Naini kretanj, otpori kretanja i kinematika kretanja mobilnih robotaSlika 6.0. Usporedba naina kretanja Slika 7.0. Naini kretanja pomou noguSlika 8.0. Princip kretanja bipeda robotaSlika 9.0. Inverzno matematiko klatno

1. UVOD

Robotika je primjenjena tehnika nauka koja prestavlja spoj maina i raunarske tehnike. Ona ukljuuje razliite oblasti kao sto su projektiranje maina, teoriju upravljanja i regulacije, mikroelektroniku, komrjutersko programiranje, umjetnu inteligenciju, ljuski faktor i teoriju proizvodnje. Drugim rijeima, robotika je interdisciplinirana znanost koja pokriva podruja mehanike, elektronike, informatike i automatike .Ona se bavi prvenstveno prouavanjem maina koje mogu zamijeniti ovjeka u izvraavanju zadataka, kao sto su razni oblici fizikih aktivnosti i donoenje odluka (odluivanje). Razvoj robotike je iniciran eljom ovjeka da pokua pronai zamjenu za sebe koja bi imala mogunost oponaanja njegovih svojstava u razliitim primjenama, uzimajui u obzir i meduelovanje sa okolinom koja ga okruuje.Mobilni roboti su oni roboti koji imaju sposobnost kretanja u prostoru. A to znai da imaju i sisteme za pokretanje, prepoznavanje okoline i sisteme za odreivanje relativnog poloaja u prostoru. Radni zadaci mobilnih robota uvelike se razlikuju od radnih zadataka industrijskih robota. U poetku njihova razvoja te razlike se nisu toliko uoavale, ali razvojem industrijske robotike, razvijali su se i mobilni roboti. Od pedesetih do sredine osamdesetih godina ovog stoljea, mobilna robotika se svrstavala u podskupinu industrijske robotike. Ali od sredine osamdesetih godina se mobilna robotika poinje izdvajati u samostalnu, prije svega znanstvenu disciplinu, koja se, za razliku od industrijske robotike, temelji na iskustvima biolokih istraivanja grae i ponaanja ivih organizama.

2.DEFINICIJA I OSNOVNI POJMOVI MOBILNIH ROBOTA

Mobilni roboti predstavljaju automatizirani stroj koji se moe kretati kroz zadanu okolinu. Mobilni robot predstavlja mobilan i manipulativan fiziki sistem koji se autonomno kree kroz nestrukturirani prostor, ostvarujui pritom interakciju s ljudskim biima ili autonomno obavljajui neki posao umjesto njih. Mobilni robot predstavlja mehatroniki sistem, koji se sastoji iz niza pod sistema: mehaniki, pogonski, energetski, upravljaki, senzorski, komunikacijski...

Slika 1.0. Primjeri mobilnih robota

Definicija standardnog (idustriskog) robota: Standardni (Idustriski) robot je viefunkcionalni manipulator koji se moe reprogramirati koji je namijenjen da pomjera radni materijal, predmete, alate i specijalne ureaje na razne zadate naine u cilju izvrenja zadataka.

Ako izvrimo poreenje gore navedenih definicija za mobilne robote sa definicijom industriskog robora onda vidim da se mobilni roboti razlikuju od idustriskih samo u tome to se mogu kretati u nekoj ravni ili prostoru.

Slika 2.0. Vojni mobilni robot

3. Dinamika robota

Dinamika robota je od svih teorijskih aspekata robotike posljednja nala praktinu primjenu.Krenimo od injenice da se uspjeno projektovanje i upravljenje nekog sistema ne moe izvesti bez njegovog dobrog poznavanja. Ovo je, svakako tano, ali pod pojmom "dobrog poznavanja" ne podrazumijeva se uvijek isto. Razmatrajmo problem mehanikog sistema - konkretno jednog robota. Dobro poznavanje takvog sistema moe, a ne mora ukljuivati poznavanje matematikog modela njegove dinamike (tzv. dinamikog modela). U ranijim fazama razvoja robotike projektovanje robota nije ukljuivalo taan proraun dinamike, a upravljanje nije vodilo rauna o mnogim dinamikim efektima ve se, uz odreene aproksimacije, svodilo na poznatu teoriju automatskog upravljanja. Ovakav pristup bio je posljedica nerazvijene teorije robotike. Naime, dugo vremena praksa proizvodnje i primene robota razvijala se nezavisno od teorije koja je bila esto isuvie akademski orijentisana. Ovakvo stanje ipak nije spreilo neke proizvoae da naprave veoma uspjene robotske ureaje.U dananje vreme, meutim, zahtjevi za sloenim i vrlo brzim robotskim sistemima diktirali su povezivanje teorije i prakse. Sa stanovita primjene dinamike robota kljunu ulogu je odigrao razvoj efikasnih metoda za proraun dinamike uz pomo raunara. Uz niz kasnije razraenih metoda, dinamiki model i na njemu zasnovani prorauni i simulacija, postao je nezaobilazni dio svakog uspjenog projektovanja robota.Druga mogunost za primjenu dinamikog modela je dinamiko upravljanje. Ta mogunost se danas jo uvek malo koristi, meutim, metode za sraunavanje dinamike u realnom vremenu, koje ve postoje, znatno nas pribliavaju ovom cilju.Ova dio razmatra prvo osnovni pristup opisivanju dinamike robota i formiranju dinamikog modela.

3.1. Dinamiki model robotaPod dinamikim modelom robota podrazumijevat emo sistem diferencijalnih jednaina koje opisuju dinamiku robota. Izvoenje modela zahtjeva dosta znanja iz mehanike, pogotovo mehanike krutog tijela.Posmatrajmo manipulacioni robot kao otvoreni kinematiki lanac bez grananja (sl. 3.0). Oznaimo zglobove redom sa S1, S2,..., S na segmente sa 1,2,...n. Pretpostavimo da su zglobovi takvi da omoguavaju jednu relativnu rotaciju ili jednu relativnu translaciju. Kako svaki zglob ima po jedan stepen slobode to e mehanizam ukupno imati n stepeni slobode. Dinamiku takvog mehanikog sistema moemo opisati sa najmanje n skalarnih diferencijalnih jednaina drugog reda. Taj sistem jednaina zvaemo dinamiki model.

Slika 3.0. Robot kao otvoreni kinematiki lanac

U glavi 2 posveenoj kinematici uvedene su tzv. generalisane koordinate q1,..., qnkao najmanji skup parametara koji jednoznano definiu poloaj robota.Za generalisane koordinate izabrana su pomjeranja u zglobovima pa smo ih zvali i unutranje koordinate. Vektor unutranjih (generalisanih) koordinata je definisan kao: q = [ ... Dinamiku mehanizama robota moemo sada opisati na vie naina: primjenom optih teorema dinamike sistema (teorema o koliini kretanja i teorema o kinetikom momentu), primjenom Lagranevih jednaina, primenom Apelovih jednaina ili Gausovog principa. Model koji se dobija svakako je isti bez obzira na pristup koji se koristi jer su svi ovi pristupi u sutini ekvivalentni. Meutim, sa stanovita metodologije sastavljanja modela razlike su bitne. Ovde emo koristiti; opte teoreme dinamike jer takav pristup zahtjeva najmanje znanja iz mehanike. Da bismo formirali dinamiki model celog sistema tj. celog lananog mehanizma kreemo od posmatranja jednog njegovog segmenta. Neka to bude segment "j". Ako hoemo da posmatramo segment izdvojen, napraviemo zamiljene prekide lanca u zglobovima i. Na sledeoj slici prikazan je prekid u zglobu. Meusobno dejstvo segmenata pokazuje se u obliku parova sila i momenata, dakle u obliku akcija i reakcija. Ako pod akcijom podrazumijevamo dejstvo narednog segmenta (j) na prethodni (j-1) onda pod reakcijom podrazumijevamo dejstvo prethodnog na naredni. Tako, i bi predstavljali reakcije, a- i - akcije. Sila moment nekada se nazivaju ukupnom silom i momentom u zglobu jer predstavljaju ukupno dejstvo koje se kroz zglob prenosi sa prethodnog segmenta na naredni.

Slika 3.1. Izdvajanje jednog segmenta lancaAko sada izdvojimo segment "j", na njega e delovati sile i momenti kako je prikazano na slici 3.2b. Treba naglasiti da se u silii momentu sadri i pogon koji u tom zglobu djeluje. Ako je posmatrani zglob translatorni, tada se pogonska sila sadri u sili, a ako je zglob rotacioni, tada sa oznaavamo pogonski momenat i on se sadri u momentu. Treba naglasiti da je u pitanju takozvana izlazna sila ili izlazni momenat pogonskog motora, a ako postoji reduktor, onda se radi o izlaznom momentu reduktora. Opiimo sada kretanje izdvojenog segmenta "j". Pomjeranje teita segmenta opisujemo takozvanom teoremom o kretanju teita: = + - (1)je masa segmenta,ubrzanje teita, aubrzanje Zemljine tee.Posmatrajmo sada obrtanje tela oko svog teita. Poloaj teita na telu i u odnosu na zglobove prikazan je na slici 3.1b i definisan vektorima i . Obrtanje opisujemo Ojlerovom vektorskom jednainom: + x() = - - x + x (2)je ugaono ubrzanje, a ugaona brzina segmenta. Oznake ~ ukazuje da su vektori izraeni trima projekcijama na koordinatnom sistemu vezanom za segment.

je tenzor inercije sraunat za ose vezanog sistema. U optem sluaju je

=

Meutim, ose vezanog sistema se najee postavljaju u pravcima glavnih osa inercije tijela. Tada tenzor inercija ima dijagonalnu formu

=

gdepredstavlja moment inercije oko osevezanog sistema, a analogno vai zai.Na desnoj strani prethodne jednaine nalaze se momenti koji su takoe izraeni u odnosu na vezani sistem segmenta "j".Dogovor o koritenju indeksa ~ iznad ili ispod oznake neke veliine ( npr.i) objanjen je u odeljku 2.2.4. Treba naglasiti da je jednainu (4.1) isto tako mogue napisati u vezanom sistemu ime bi se postigla jednoobraznost. Druga mogunost je da se obe jednaine piu u spoljanjem sistemu. Tada (1) ostaje u obliku kakvom je ve napisana, a (2) se prevodi u spoljanji sistem mnoenjem sa prelaznom matricom.

Slika 3.2. Sila i momenti u rotacionom zglobu

U izvedenim vektorskim jednainama (1) i (2) pojavljuju se silai momenat, tj. ukupna sila i moment u zglobu. Razmotrimo detaljnije ove veliine. Posmatrajmo prvo rotacioni zglob (sl. 3.2). Takav zglob dozvoljava samo jedno relativno pomjeranje i to obrtanje oko ose . Odatle sila reakcije(od segmenta "j-1" na segment "j") moe imati bilo koji pravac, dok reakcioni momen tmora biti normalan na osu (tj. ). U rotacionom zglobu deluje jo i pogonski momenat = ; dakle deluje oko ose . Ukupna sila i momenat u zglobu su sada: = = +

3.Graa robota

Robotski manipulator sastoji se od tijela (eng. body), ruke (eng. arm) i runog zgloba (eng. wrist). U proizvodnim procesima najee se koriste roboti privreni na podlogu. Na kraju ruke nalazi se runi zglob sastavljen od mnogo komponenti koje mu omoguuju orijentaciju u razliitim poloajima. Relativna kretanja meu razliitim komponentama tijela, ruke i runog zgloba ostvaruju se pomou niza zglobova. Kod industrijskih robota koriste se dva osnovna tipa zglobova: rotacijski (eng. revolute joint) i translacijski (eng. prismatic joint). Rotacijski zglob vri rotaciju oko osi, a translacijski (linearni) linijsko kretanje po osi. Dva susjedna zgloba spojena su pomou krutih segmenata. Na runi zglob privrena je aka (eng. hand) koja se u tehnikom argonu naziva vrh manipulatora (eng. end of effector), alat (eng. tool) i hvataljka (eng. gripper). Vrh manipulatora se ne smatra dijelom robota, ve slui za obavljanje odreenih zadataka koji se trae od robota.Neki od tipova zglobova su prikazani na sljedecim slikama:

a) Translacijski(linearni) zglob

b) Rotacijski zglobovi

Slika 4.0. Neki tipovi zglobova robotskog manipulatora

Za svaki robot karakteristian je broj osi za rotacijsko ili translacijsko kretanje njegovih segmenata. Kako se kretanje robota odvija u trodimenzionalnom prostoru, prve tri osi najee se koriste za odreivanje pozicije runog zgloba, dok preostale osi odreuju orijentaciju vrha manipulatora. Openiti manipulator ima est osi te moe dovesti vrh manipulatora u bilo koju poziciju i orijentaciju unutar radnog prostora. Radni prostor robota predstavlja skup taaka u trodimenzionalnom prostoru koje se mogu dohvatiti vrhom manipulatora. Oblik i zapremina radnog prostora ovise o strukturi manipulatora, kao i prisutnim ogranienjima mehanikih zglobova.

Danas se najvie susreu slijedee etiri osnovne strukture manipulatora : pravokutna (eng. Cartesian or rectangular) ili TTT, cilindrina (eng. cylindrical) ili RTT, sferna (eng. spherical) ili RRT, rotacijska (eng. articulated) ili RRR.

a) Pravokutna konfiguracija robota b) Cilindrina konfiguracija robota

Zamjenom drugog zgloba cilindrine konfiguracije robota rotacijskim zglobom dobiva se robot sferne konfiguracije . Ako postoji ogranienje translatornog kretanja, tada je radni prostor tog tipa robota volumen izmeu dvije koncentrine sfere, a uz ogranienje svih kretanja, radni prostor je dio volumena izmeu dvije koncentrine sfere. Mehanike vrstoa je manja u odnosu na prethodne strukture zbog sloenije geometrijske i mehanike konstrukcije. Tanost pozicioniranja se smanjuje sa porastom radijalnog hoda. Sferini manipulator se uglavnom koristi u strojarskoj industriji. Obino se koriste elektrini motori za pokretanje zglobova manipulatora. Robot tipa SCARA (eng. Selective Compliance Assembly Robot Arm) takoer ima dva rotacijska i jedan translacijski zglob, kao to je prikazano na sljedecoj slici. Kod ovog tipa robota su sve tri osi vertikalne. SCARA manipulator karekterizira visoka vrstoa za optereenja na vertikalnoj osi i popustljivost za optereenja u horizontalnoj osi. Zbog toga se SCARA koristi za zadatke montiranja po vertikalnoj osi. Tanost pozicioniranja se smanjuje sa porastom udaljenosti izmeu runog zgloba i osi prvog zgloba. c) Sferna konfiguracija robota d) SCARA robot

Ako su upotrebljena sva tri rotacijska zgloba dobiva se rotacijska struktura manipulatora, koja se jo naziva laktasta, antropomorfna ili zglobna . Osi rotacije drugog i treeg zgloba su paralelne i okomite na os rotacije prvog zgloba. Ako ne postoje ogranienja rotacijskih kretanja, tada je radni prostor tog robota kugla, a uz ogranienja to je dio kugle sloenog oblika iji je presjek sa strane najee u obliku polumjeseca. Zbog slinosti sa ovjekovom rukom, drugi zglob se zove vratni zglob, a trei zglob lakta jer povezuje gornji dio ruke sa podlakticom. Za pogon zglobova antropomorfne strukture koriste se elektrini motori. Podruje primjene je jako iroko.

e) Rotacijska konfiguracija robota

Navedene strukture manipulatora dobivene su na osnovu zahtjeva na poziciju runog zgloba i orijentaciju vrha manipulatora. Ako se eli postii odgovarajua orijentacija u trodimenzionalnom prostoru, runi zglob mora posjedovati najmanje tri stupnja pokretljivosti ostvarenih rotacijskim zglobovima. Budui da runi zglob ini krajnji dio manipulatora on moe biti stisnut (zbijen) , to e imati za posljedicu kompliciranu mehaniku izvedbu. Bez ulaenja u konstrukcijske detalje, realizacija runog zgloba sa najveom okretljivou je ona gdje se osi sva tri rotacijska zgloba sijeku u jednoj taki. Ovaj zglob se zove sferni. Glavna osobina sfernog zgloba je razdvajanje pozicije i orijentacije vrha manipulatora; ruka je zaduena za zadatke pozicioniranjagornje toke presjeka, dok je runi zglob zaduen za odreivanje orijentacije vrha manipulatora. Realizacije u kojima zglob nije sferni su jednostavne s mehanike toke gledita, ali su pozicija i orijentacija sjedinjene i to komplicira kordinaciju izmeu kretanja ruke i obavljanja zadatka od strane runog zgloba. Vrh manipulatora je odreen u skladu sa zadatkom kojeg robot treba izvriti. Za rukovanje materijalom, vrh manipulatora je sainjen u obliku hvataljke odreenog oblika i dimenzija koje ovise o objektu koji se hvata. Za zadatke montiranja, vrh manipulatora je alat(orue) ili odreena sprava, kao npr. zavariva, glodalica, builica, ureaj za zaarafljivanje. Izbor robota je uvjetovan primjenom koju ograniava oblik i dimenzije radnog prostora, maksimalan iznos tereta, tanost pozicioniranja i dinamike perfomance manipulatora.

4. Naini kretanja mobilnih robota

Da bi mobilni robot bio u stanju da se kree kroz neki prostor on mora imati mehanizam za kretanje odnosno motoriku. Danas su razvijene mnoge metoda za kretanje robota tako da danas imamo robote koju mogu da hodaju, skau, tre, kliu se, plivaju, lete i naravno da se kotrljaju. Veina ovih naina kretanja robota je inspirisana biolokim organizmima. Postoji naravno jedan izuzetak, a to je toak, u prirodi nemamo bioloke organizme koji se kreu preko tokova, mada se ljudsko kretanje na dvije noge moe opisati pomou kotrljanja poligona. Kretanje pomou tokova je naroito efikasno ako se kretanje vri po ravnoj podlozi. Veina mobilnih robota se kree pomou tokova, bili oni izvedeni kao gusjenice ili na neki drugi nain, tokovi se najvie primjenjuju iz razloga to ljudska tehnologija nije toliko razvijena da bi bila u mogunosti da adekvatno kopira kretanja biolokih organizama.

Slika 5.0. Naini kretanj, otpori kretanja i kinematika kretanja mobilnih robotaNa slici 4 se nalazi uporedba kretanja na osnovu brzine i nosivosti. Sa te slike vidimo brzine i nosivosti za svaki od naina kretanja predstavljenih na slici 3. Sa slike se moe vidjeti da je najidealniji sluaj kretanje pomou tokova, osobito ako se to kretanje vri po tranicama, jer je trenje manje. Takoer moemo vidjeti da tokovi nisu efikasni na mehkim podlogama.

Slika 6.0. Usporedba naina kretanja

5. Viesloni mobilni roboti

Kretanje pomou nogu je karakterizovano sa serijom kontakata izmeu robota i podloge.Glavna prednost ovo kretanja je mognost kretanja po neravnom teren,to predstavlja osnovni problem kretanja pomou tokova.Poto se kontakt sa podlogom vri pomou nogu bitno je da se stabilan i vrst kontakt ostvari samo na tokovima dodira nogu robota i podloge.Osnovni nedostatak ovog naina kretanja jeste pokretanje nogu odnosno znatna kompleksnost mehanizma za kretanje,noge moraju imati vie stepeni slobode,moraju biti konstruisane da savladaju teinu robota i teinu koju on eventualno nosi i moraju biti u mogunosti da podignu robota i da ga spuste.

Sisavci Reptili Insekti ( 2 ili 4 noge ) ( 4 noge ) ( 6 nogu )

Slika 7.0. Naini kretanja pomou nogu

Velike ivotinje sisavaca i reptila imaju 4 noge dok isnekti imaju po 6 nogu.Kod nekih sisara je mogunost hodanja na 2 noge dovedena do pergekcije to se posebno odnosi na ljude poto ljudi mogu skakati na jednoj nozi.Problem kod ove vrste robota jeste odravanje ravnotee,jer da bi se robot kretao on mora podizati svoje noge to mu znaajno umanjuje stabilnost jer se u trenutku kada mu je jedna noga podignuta broj oslonaca smanjuje za jedan.

Znai kod robota sa 2 noge mogua su 6 sluaja tih nogu i to sljedei: podigni desnu nogu; podigni lijevu nogu spusti desnu nogu; spusti lijevu nogu podigni obje noge spusti obje noge.

Bipedi su roboti koji se kreu na 2 noge.Inspiracija za kretanja ove vrste robota bio je ovjek,vrsta robota koja predstavlja najkompleksniju izvedbu mobilnih robota.

Slika 8.0. Princip kretanja bipeda robota

Kretanje bipeda moemo podijeliti u dvije faze,prva faza kada obje noge dodiruju podlogu-ne predstavlja veliki problem zbog irine stopala i ova faza je stabilna,druga faza predstavlja problem to jest kada se eli napraviti korak,odnosno kada se eli podii jedna noga- tada se centar mase mora premjestiti iz centra na onu nogu koja je ostala na tlu.Moemo rei da kada je jedna noga podignuta tada se robot ili ovjek ponaa kao inverzno matematiko klatno.

Slika 9.0. Inverzno matematiko klatno6.ZAKLJUAK

Mobilni roboti do sada nisu u tolikoj mjeri razvijeni da bi bili neto sto se svakodnevno susree ali brzina njihovog razvoja je nepredvidiva, treba se prisjetiti da unazad 20 godina svaki dom nije imao personalni raunar a danas je to ne zamislivo, isto tako prije 10 godina mobitel je bio luksuz koji sebi nije mogao svako priutiti a danas je to sasvim normalna stvar. Rjeavanjem problema oko beinog prenosa energije, razvojem novih senzora, razvijanjem brih mikrokontrolera, poboljanjem interakcije robota i okoline sasvim je jasno da e u skoroj budunosti svaki dom imati mobilne robote. Posebna panja se poklanja razvoju personalnih mobilnim robotima, koji su prvenstveno namijenjenim za pomo starim osoba, koji su ve doivili svoje prve izvedbe. Poto su ve prekeni osnovni zakoni robotike sasvim je logino da e u budunosti ratove voditi roboti.

16