1

Techniczne rodki automatyzacji

Edward Tertel

dr in .

WYK AD

AUTOMATYZACJA POPRZEZ

ROBOTYZACJ

2

Historia ROBOTÓW

Lata 50-te i 60-te

– rozwój technik komputerowych oraz technik

sterowania.

Powstaje pytanie: czy komputer jest robotem?

Powstaj pierwsze roboty przemys owe.

1956

– Pierwsze prace nad po czeniem mo liwo ci percepcji oraz

umiej tno ci rozwi zywania problemów przez roboty przy u yciu

komputerów, kamer oraz sensorów dotyku. Celem jest budowa

robotów zdolnych do dzia

inteligentnych. Powstaje nowa

dyscyplina naukowa: sztuczna inteligencja (A.I.).

3

Historia ROBOTÓW

1960

– Robot Shakey wykonany w Stanford

Research Institute. Zawiera kamer

telewizyjn , dalmierz, procesor dzia

logicznych, sensory dotyku, urz dzenia

czno ci radiowej. Shakey móg by zdalnie

kontrolowany przez komputer.

1973

– Pierwszy komercyjny robot

przemys owy sterowany komputerem,

zbudowany przez Richarda Hohna z firmy

Milacron.

4

Czym jest ROBOT?

• Dawniej

– „Inteligentne” mechaniczne urz dzenie – automat

• Wg. Robotics Industry Association, 1985

– “Programowalny, wielofunkcyjny manipulator

zaprojektowany do przemieszczania materia ów, cz

ci,

narz dzi, i innych urz dze w ramach wykonywania
ró nych zada ”

• Wg. Japanese Industrial Robot Association (JIRA)

– “Urz dzenie posiadaj ce stopnie swobody, które mo na

kontrolowa .”

5

Czym jest ROBOT?

• Wg. ISO

– “...jest automatycznie sterowan , programowaln ,

wielozadaniow maszyn manipulacyjn o wielu

stopniach swobody, posiadaj

w asno ci

manipulacyjne, lub lokomocyjne, stacjonarna lub

mobiln , dla wa nych zastosowa przemys owych”

• Wg. Encyklopedi powszechnej PWN

– “Urz dzenie (maszyna) przeznaczone do realizacji

niektórych czynno ci manipulacyjnych, lokomocyjnych,

informacyjnych i intelektualnych cz owieka.”

6

Czym jest ROBOT?

Powy sze definicje pomijaj takie poj cia jak:

my lenie, rozumowanie, rozpoznawanie,

analizowanie, rozwi zywanie problemów,
emocje, zmys y, wiadomo

.

7

Czym jest ROBOT?

• …

maszyna

zdolna do pozyskiwania

informacji

z jej

rodowiska pracy i wykorzystywania tych informacji do

bezpiecznego, celowego i skutecznego dzia ania,

(Ron Arkin, 1998).

• …

autonomiczny

system, który wyst puje w

rzeczywistym

fizycznym rodowisku

, potrafi cy

rozpoznawa to rodowisko oraz dzia

w nim w

sposób nakierowany na osi gni cie okre lonego celu.

8

Czym jest ROBOT?

…jednak do dzi nie ma jednej, spójnej

ogólnie przyj tej definicji

czym jest ROBOT

9

Klasy ROBOTÓW?

• Japanese Industrial Robot Association (JIRA)

wprowadzi o podzia robotów na 6 klas:

– Klasa 1 : Urz dzenia sterowane r cznie,

– Klasa 2 : Roboty pracuj ce sekwencyjnie (

jedna sekwencja czynno ci

),

– Klasa 3 : Roboty pracuj ce sekwencyjnie (

mo liwo

zmiany sekwencji

czynno ci

)

,

– Klasa 4 : Roboty odtwarzaj ce czynno ci,

– Klasa 5 : Roboty sterowane numerycznie,

– Klasa 6 : Roboty „inteligentne”.

10

Klasy ROBOTÓW?

• Klasy robotów ze wzgl du na rodzaj i mo liwosci sterowania

robotem:

– Klasa 1 : Robot sekwencyjny: (sekwencyjny uk ad sterowania, kolejno

zaprogramowane ruchy i czynno ci)

– Klasa 2 : Robot realizuj cy zadane trajektorie (realizuje ruchy sterowane wg

programu specyfikujacego

dane pozycje oraz predko ci ruchów),

– Klasa 3 : Robot adaptacyjny (adaptacyjny uk ad sterowania wspó pracuj cy z

elementami sensoryki lub z uk adem ucz cym, zdolny do pozyskiwania

informacji zewn trznych, ich analizy i wykorzystywania do zmiany swoich

ciwo ci-programu)

,

– Klasa 4 : Teleoperator (sterowanie zdalne, przenoszenie na odleg

funkcji

motorycznych i sensorycznych)

11

Klasy ROBOTÓW?

• Generacje robotów wyró nia si ze wzgl du na

sposób programowania i mo liwo ci

komunikowania si z otoczeniem:

– I generacja: roboty nauczane,

– II generacja: roboty ucz ce si ,

– III generacja roboty inteligentne.

12

Czym jest ROBOTYKA?

Robotyka

jest nauk o robotach, autonomicznych

systemach wchodz cych w interakcje z otaczaj cym

wiatem fizycznym.

Robotyka

zajmuje si

percepcj

,

interakcj

oraz

dzia aniem

ROBOTÓW, w fizycznym wiecie.

13

... manipulacyjne

14

ROBOTY przemys owe

Sterowanie prac robota przemys owego polega na

kierowaniu ruchami jego ramienia roboczego na podstawie

wcze niej przeprowadzonych oblicze i symulacji.

PODSTAWOWE CECHY:

• Programowanie poprzez „uczenie”,
• Powtarzaj ce si czynno ci,
• Du e pr dko ci,
• Niewiele czujników percepcyjnych,
• Du a precyzja ruchów,
• Sta e trajektorie ruchów,
• Brak bezpo redniego wspó dzia ania z lud mi.

15

Stopnie swobody robota

Ka de
po czenie
ogniw
ruchomych
robota oraz
ka da
mo liwo
ruchu
liniowego
ramienia jest
rozpatrywana
jako stopie
swobody

Ka dy mo liwy do zrealizowania kierunek ruchu liniowego
oraz obrotowego stanowi stopien swobody.

16

Stopnie swobody robota

Jednostki kinematyczne robotów zbudowane s w
postaci szeregowego uk adu cz onów po czonych
ruchowo za pomoc tzw. par kinematycznych.

Wyró nia 5 klas par kinematycznych. Numer klasy
okre la ilo

wi zów wywo anych po czeniem pary

kinematycznej. Odejmuj c od 6-u dof. cia a
swobodnego, ilo

na

onych wi zów uzyskuje si

ilo

stopni swobody w danym po czeniu pary

kinematycznej

.

Aktualnie w konstrukcjach robotów przemys owych
znaczenie praktyczne maj pary kinematyczne klasy
piatej, pozostawiaj ce jeden stopien swobody (ruch
post powy, lub obrotowy).

17

Stopnie swobody robota

Liczba stopni swobody:

n- liczba par kinematycznych,

pi- liczba par kinematycznych klasy i,

i- klasa pary kinematycznej.

5

1

6

i

i

ip

n

w

18

Stopnie swobody robota

Proste zadanie kinematyki robota:

Pozycja ko ca efektora jest ustalana na podstawie
pozycji cz onów w poszczególnych parach
kinematycznych.

Odwrotne zadanie kinematyki robota:

Na podstawie wymaganej pozycji ko ca efektora ustala
si odpowiednie przemieszczenia w poszczególnych
parach kinematycznych.

19

Powody stosowania robotów

przemys owych

• Niebezpieczne rodowisko pracy,

• Powtarzalne cykle pracy,

• Skomplikowane dzia ania manipulacyjne,

•

one przemieszczanie elementów,

• Celem dzia ania jest precyzyjne pozycjonowanie i

zorientowanie cz

ci.

20

Typowe obszary zastosowa

robotów przemys owych

• Manipulacje materia ami,

• Przenoszenie materia ów,

• Za adunek i roz adunek i uzbrajanie maszyn,

• Zgrzewanie punktowe,

• Operacje spawalnicze,

• Malowanie natryskowe,

• Monta ,

• Kontrola.

21

ROBOTY autonomiczne

Sterowanie prac robota autonomicznego polega na

po czeniu kilku rodzajów ró nych dzia

:

• W

ciwe zamodelowanie mechanizmów

(kinematyka, dynamika),

• Niezawodne sterowanie elementami

wykonawczymi,

• Planowanie ró nych cie ek ruchów dla ró nych

zada ,

• Integracja percepcji, selekcja i wspó dzia anie

ró nych typów sensorów

• Elastyczne uk ady steruj ce (dostosowywanie

do nowych sytuacji).

22

Z czego sk ada si ROBOT?

• Pary kinematyczne z uk adami nap dowymi

– Stosowane do przemieszczania i manipulacji,

• Efektory,

– Odzia ywuj ce na obiekt,

• Czujniki,

– Zbieraj ce informacje o otoczeniu,

• Uk ady steruj ce integruj ce powy sze systemy,

– Generuj odpowiednie sygna y do nap ów i efektorów na

podstawie danych zebranych z czujników.

23

Elementy robota przemys owego

Serwonap dy

Systemy sterowania

czny element

steruj cy
(programuj cy)

Ramie
robota

Robot przemys owy
zawiera zespó
mechanicznych i
elektrycznych
elementów
dzia aj cych jako
system.

Uk ad sterowania
zawiera system
operacyjny oraz
oprogramowanie
okre laj ce dzia anie
systemu robota oraz
jego wewn trzn
komunikacj

24

Przestrze robocza robota

przemys owego

Wielko

(zakres)

obszaru, w którym mo e
operowa efektor robota
przemys owego jest
nazywany jego
przestrzenia robocz .

Przestrze robocza robota Fanuc RLMate 100i.

25

Czujniki

• Czujnik (sensor) = urz dzenie dostarczaj ce informacji z

otoczenia robota

– Powy szy proces jest nazywany

percepcj

• Jakiego rodzaju danych z otoczenia potrzebuj roboty?

– Jest to zale ne od zada jakie maj w tym otoczeniu

wykona .

• Obszar percepcji

– mo liwe dane do zarejestrowania przez czujniki,

– czasami konieczne jest „

zobaczenie

” rodowiska

„oczami” robota,

– rozszerza si wyra nie wraz ze wzrostem ilo ci czujników.

26

Elementy ruchu robota

• Efektory

: urz dzenia poprzez które robot

oddzia uje na otoczenie.

• Elementy nap dowe

: urz dzenia umo liwiaj ce

efektorom wykonywanie ich zada

(silniki, si owniki,

przek adnie, serwomechanizmy)

• Zadania elementów nap dowych:

– Przemieszczanie robota,

– Manipulacje (przenoszenie elementów).

• Wg powy szego roboty mo na podzieli na

– Roboty mobilne, autonomiczne,

– Zrobotyzowane manipulatory.

27

Autonomia robotów

Autonomia jest zdolno ci do podejmowania w asnych

decyzji oraz dzia ania wed ug nich.

W przypadku robotów: podejmowanie w

ciwych

dzia

w zastanej sytuacji.

Autonomia mo e by ca kowita lub cz

ciowa.

Sterowniki pozwalaj na autonomi robotów poprzez:

• pozyskiwanie danych z otoczenia (sensory),

• przetwarzanie i wymiana informacji,

• podejmowanie decyzji o rodzaju i kolejno ci dzia

,

28

Jezyki programowania robotów

• Nie ma najlepszego j zyka programowania robotów !

• Przyczyny stosowania okre lonego j zyka:

– Najlepiej nadaje si do opisu zadania,

– Jest do czony do sprz tu,

– Jest znany przez osob programuj

robota.

•

zyki ogólnego przeznaczenia:

– JAVA, C

•

zyki specjalnego stosowania:

29

Podej cia w sterowaniu robotów

• Sterowanie robotem oznacza koordynacj sygna ów

odbieranych z otoczenia poprzez czujniki z

odpowiednim dzia aniem elementów wykonawczych

• Sterowanie robotem mo e by prowadzone:

– Sprz towo (hardware): programowalna logika

– Programowo (software).

30

• Sterowanie bezpo rednie,

– bez analizy stanu, okre lona kolejno

dzia

.

• Sterowanie po rednie (planowanie dzia

)

– dzia anie poprzedzone analiz stanu.

• Hybrydowe systemy sterowania

Podej cia w sterowaniu robotów

31

Kryteria doboru architektury

sterowania

• Dobieraj c sposób sterowania nale y bra pod uwag rodzaj

robota, rodzaj zadania oraz charakterystyk otoczenia, a w

szczególno ci:

– Jakie i ile sygna ów jest odbieranych z otoczenia?

– Czy charakter otoczenia jest statyczny, czy zmienny?

– Czy wszystkie istotne sygna y s odbierane przez robota?

– Jaka jest wymagana szybko

detekcji sygna ów oraz szybko

dzia ania?

– Czy robot powinien pami ta poprzednie stany (histori )?

– Czy robot powinien przewidywa stany przysz e (unikanie b dów)?

– Czy robot powinien oddzia ywa na otoczenie, aby umo liwi

wykonanie okre lonych dzia

?

32

PODSUMOWANIE

• Roboty znajduj coraz szersze zastosowanie w wielu

rodowiskach (przemys , transport, dom, medycyna)

• Aktualny rozwój robotyki jest nakierowany na:

– podniesienie skuteczno ci komunikacji robota z otoczeniem,

– zwi kszanie poziomu autonomiczno ci robotów,

– Upraszczanie metod programowania robotów.