1
Agata Nawrocka
Agata Nawrocka
Katedra Automatyzacji Proces
Katedra Automatyzacji Proces
ó
ó
w
w
Akademia G
Akademia G
ó
ó
rniczo
rniczo
-
-
Hutnicza
Hutnicza
Automatyka i Robotyka
Automatyka i Robotyka
2
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Historia robotyki
Historia robotyki
1947
1947 – pierwszy teleoperator sterowany elektrycznie;
1948
1948 – teleoperator wykorzystujący sprzężenie zwrotne od
siły;
1949
1949 – prace nad maszynami sterowanymi numerycznie;
1954
1954 – George Devol projektuje pierwszego
programowalnego robota;
1956
1956 – Joseph Engelberger, student fizyki na Columbia
University, kupuje prawa od G. Devola i zakłada
Unimation Company;
1961
1961 – pierwszy robot Unimate zostaje zainstalowany w
fabryce General Motors w Trentou, New Jersey;
opracowanie pierwszego robota ze sprzężeniem
zwrotnym od siły;
1963
1963 – pierwszy system wizyjny na uzytek robota;
1971
1971 – opracowanie w Stanford University robota Stanford Arm;
3
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Historia robotyki c.d.
Historia robotyki c.d.
1973
1973 – opracowanie pierwszego języka programowania
robotów (WAVE) – Stanford;
1974
1974 – opracowanie sterowanego komputerowo robota T3
przez Cincinnati Milacron;
1975
1975 – pierwsze zyski finansowe osiągnięte przez Unimation
Inc.;
1976
1976 – opracowanie systemu RCC do montażu w procesie
produkcyjnym w Draper Labs, Boston; zastosowanie
przez NASA ramienia robotycznego w kosmosie;
1978
1978 – opracowanie przez Unimation robota PUMA;
1979
1979 – opracowanie w Japonii robota SCARA;
1981
1981 – pierwszy robot o napędzie bezpośrednim – Carnegie-
Mellon University.
lata 80
lata 80
-
-
te
te roboty domowe (Roomba), zabawki (Aibo)
4
Początkowo najbardziej powszechnie akceptowana
definicja robotyki była zaproponowana w Stanach
Zjednoczonych przez RIA (Robotic Industries Association):
Robot
jest przeprogramowywanym, wielofunkcyjnym
manipulatorem (lub urządzeniem) zaprojektowanym do
przenoszenia materiałów, części, narzędzi, lub
wyspecjalizowanych urządzeń za pomocą zmiennych,
programowanych ruchów do wykonywania wielu zadań.
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Definicje robotyki
Definicje robotyki
5
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Około 1942 roku amerykański pisarz Isaac Asimov w
opowiadaniu „Zabawa w berka” wprowadził trzy prawa
robotyki, które jego zdaniem musiały być przestrzegane
przez roboty:
9
prawo pierwsze: Robot nie może skrzywdzić człowieka,
ani przez zaniechanie działania dopuścić, aby człowiek
doznał krzywdy.
9
prawo drugie: Robot musi być posłuszny rozkazom
człowieka, chyba że stoją one w sprzeczności z pierwszym
prawem.
9
prawo trzecie: Robot musi chronić sam siebie, jeśli tylko
nie stoi to w sprzeczności z pierwszym lub drugim prawem.
Definicje robotyki
Definicje robotyki
6
Słownik wyrazów obcych [PWN, Warszawa 2003]:
roboty – maszyna lub urządzenie techniczne imitujące
działanie (czasem nawet wygląd) człowieka, odznaczające się
określonym stopniem automatyzacji […].
robotyka – nauka zajmująca się projektowaniem i
zastosowaniem robotów, ich mechaniką i sterowaniem,
robotyka – (ang. robotics) interdyscyplinarna dziedzina
wiedzy działająca na styku mechaniki, automatyki, elektroniki,
sensoryki, cybernetyki oraz informatyki. Domeną robotyki są
równie rozważania nad sztuczna inteligencja - w niektórych
środowiskach robotyka jest wręcz z nią utożsamiana.
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Definicje robotyki
Definicje robotyki
7
Manipulator
Manipulator
robotyczny
robotyczny
to pojęcie związane z robotyką. Opisuje
"mechaniczne ramię", stosowane głównie w fabrykach samochodów,
automatycznych liniach produkcyjnych, fabrykach w których istnieje
zagrożenie dla zdrowia ludzi, itp. Inaczej mówiąc, jest to część robota
pełniąca funkcję ludzkich kończyn górnych. Dla łatwiejszego opisu takiego
ramienia wprowadzone zostały pojęcia: człon automatyki, współrzędne
lokalne, współrzędne globalne, kinematyka manipulatora, stopnie swobody
oraz notacja Denavita-Hartenberga. Pozwalają one w sformalizowany
sposób opisać budowę manipulatora oraz zależności występujące
pomiędzy kolejnymi elementami składowymi.
Manipulatorem
Manipulatorem
nazywamy układ N ramion połączonych ze sobą
przegubami, zakończony efektorem (chwytakiem). Pojedyncze ogniwo
manipulatora zbudowane jest z przegubu oraz następującego po nim
ramienia, gdzie przegub zapewnia możliwość ruchu. Każdy przegub
opisywany jest za pomocą współrzędnej wewnętrznej (nastawy) q i przy
czym i = 1, 2, ..., N.
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
8
Chwytak
Chwytak to w robotyce oprzyrządowanie manipulatorów,
robotów, dające możliwość chwycenia i transportu
przedmiotów w zautomatyzowanych czynnościach
precyzyjnych. Chwytak może być wyposażony w narzędzie
(np. lutownica, spawarka), umożliwiające realizację
określonych czynności.
Zadania chwytaka:
- uchwycenie manipulowanego przedmiotu z zapewnieniem
mu właściwej orientacji
- utrzymanie przedmiotu pomimo działających sił
zewnętrznych i przyspieszeń transportowych
- pozostawienie przedmiotu we właściwej orientacji w
miejscu przeznaczenia
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
9
Ze względu na ilość szczęk:
- dwuszczękowe o szczękach równoległych, kątowych
(rozwarcie do 40°) lub promieniowych (rozwarcie do 180°)
- trójszczękowe
Ze względu na napęd:
- mechaniczne
- pneumatyczne
Ze względu na zasadę działania:
- kształtowe
- siłowe
- siłowo-kształtowe
Podzia
Podzia
ł
ł
chwytak
chwytak
ó
ó
w:
w:
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
10
Schemat og
Schemat og
ó
ó
lny robota
lny robota
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Schemat og
Schemat og
ó
ó
lny uk
lny uk
ł
ł
adu sterowania
adu sterowania
Uk
Uk
ł
ł
ad
ad
zasilania
zasilania
Uk
Uk
ł
ł
ad
ad
sterowania
sterowania
Uk
Uk
ł
ł
ad
ad
nap
nap
ę
ę
dowy
dowy
Robot
Robot
Urz
Urz
ą
ą
dzenie
dzenie
steruj
steruj
ą
ą
ce
ce
Uk
Uk
ł
ł
ad
ad
(ROBOT)
(ROBOT)
sterownie
Wielkość
wyjściowa
zakłócenie
11
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Klasyfikacja robot
Klasyfikacja robot
ó
ó
w
w
Roboty można podzielić na klasy ze względu na:
A. rodzaj zasilania:
B. mobilność:
C. posiadanie nadmiarowości ruchowej:
D. rodzaj zastosowanych przegubów:
E. sztywność przegubów i ramion:
F. przynależność do generacji robotów:
G. poziom inteligencji (JRA):
H. poziom języka programowania:
12
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Klasyfikacja robot
Klasyfikacja robot
ó
ó
w
w
A. rodzaj zasilania:
9
elektryczne,
9
pneumatyczne,
9
hydrauliczne;
B. mobilność:
9
stacjonarne,
9
mobilne;
C. posiadanie nadmiarowości ruchowej:
9
nieredundantne,
9
redundantne;
13
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Klasyfikacja robot
Klasyfikacja robot
ó
ó
w
w
D. rodzaj zastosowanych przegubów:
9
rotacyjne,
9
translacyjne,
9
mieszane;
E. sztywność przegubów i ramion:
9
sztywne,
9
elastyczne;
F. przynależność do generacji robotów:
9
I generacji – roboty odtwarzające,
9
II generacji – roboty wyposażone w system sensoryczny,
9
III generacji – roboty wyposażone w system wizyjny,
9
IV generacji – roboty o sterowaniu adaptacyjnym,
9
V generacji – roboty inteligentne;
14
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Klasyfikacja robot
Klasyfikacja robot
ó
ó
w
w
G. poziom inteligencji (JRA):
9
urządzenia sterowane ręcznie,
9
roboty o stałej sekwencji ruchów,
9
roboty o zmiennej sekwencji ruchów,
9
roboty odtwarzające,
9
roboty sterowane numerycznie,
9
roboty inteligentne;
H. poziom języka programowania:
9
systemy uczone przez prowadzenie,
9
systemy programowane na poziomie robota,
9
systemy programowane na poziomie zadania;
15
ROBOTYKA
ROBOTYKA - jest to dziedzina nauki i techniki, zajmująca się
wszystkimi problemami dotyczącymi mechaniki, sterowania
ruchem, sensoryki, inteligencji maszynowej, projektowania,
zastosowań, eksploatacji manipulatorów, robotów i maszyn
kroczących.
W robotyce mona wyróżnić :
9
robotyka teoretyczna
robotyka teoretyczna – jest to teoria robotów i
manipulatorów,
9
robotyka przemys
robotyka przemys
ł
ł
owa
owa – są to zastosowania robotów i
manipulatorów w równych dziedzinach życia
9
robotyka medyczna i rehabilitacyjna
robotyka medyczna i rehabilitacyjna
9
robotyka og
robotyka og
ó
ó
lna
lna – są to metody, aspekty ekonomiczne,
socjalne zastosowania robotów.
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Definicje robotyki
Definicje robotyki
16
Istnieje ogólna klasyfikacja robotów, podobnie jak i
komputerów, ze względu na ich generacje :
9
roboty programowalne – wykonują zawsze jeden i ten
sam program wiele razy,
9
roboty adaptacyjne – wyposażone są w czujniki,
informujące czy określony detal znajduje się na miejscu – w
razie gdy detalu brakuje robot może sam go poszukać,
9
roboty inteligentne – nie programuje się im faz
wykonania zadania, tylko zadaje się określoną czynność
(zdolne do samoprogramowania ).
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Klasyfikacja robot
Klasyfikacja robot
ó
ó
w
w
17
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Parametry opisuj
Parametry opisuj
ą
ą
ce manipulatory i roboty
ce manipulatory i roboty
9
Liczba stopni swobody
9
Ruchliwość
9
Manewrowość
Liczba stopni swobody
Liczba stopni swobody
–
– liczba zmiennych położenia,
jaką należy podać w celu jednoznacznego określenia
układu w przestrzeni.
∑
=
−
=
5
1
6
i
i
ip
n
w
Gdzie:
Gdzie: w
–
–
liczba stopni swobody,
liczba stopni swobody,
n
–
–
liczba cz
liczba cz
ł
ł
on
on
ó
ó
w ruchomych,
w ruchomych,
p
i
–
–
liczba po
liczba po
łą
łą
cze
cze
ń
ń
par kinematycznych o i
par kinematycznych o i
-
-
tej klasie
tej klasie
18
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Ruchliwo
Ruchliwo
ść
ść
r
r
-
- liczba stopni swobody łańcucha
kinematycznego mechanizmu z unieruchomionym członem -
podstawą.
Manewrowo
Manewrowo
ść
ść
m
m
-
- liczba stopni swobody łańcucha
kinematycznego mechanizmu z unieruchomionymi:
podstawą i ostatnim w łańcuchu członem kinematycznym.
(
)
∑
=
−
−
=
−
=
n
i
i
ip
n
w
r
1
1
6
6
(
)
∑
=
−
−
=
−
=
5
1
2
6
6
i
i
ip
n
r
m
19
9
Roboty przemysłowe
9
Roboty militarne
9
Roboty medyczne
9
Roboty mobilne
9
Nano roboty
9
Roboty do rozrywki
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Klasyfikacja robot
Klasyfikacja robot
ó
ó
w
w
20
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Najczęściej maja one postać mechanicznego
ramienia o pewnej liczbie stopni swobody.
Taki robot o wielkości człowieka jest w stanie
manipulować z ogromną szybkością i
precyzją przedmiotami o wadze do kilkuset
kilogramów. Zwykle są one programowane
do wykonywania wciąż tych samych,
powtarzających się czynności, które mogą
wykonywać bezbłędnie przez cała dobę. W
fabrykach pracuje 90% produkowanych
robotów, połowa z tego używana jest przy
produkcji samochodów.
Roboty przemys
Roboty przemys
ł
ł
owe
owe
21
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Dzięki robotyzacji zyskujemy:
9
lepsze wykorzystanie zasobów - roboty zwiększają wydajność
kosztownych linii produkcyjnych poprzez zachowanie ściśle
zdefiniowanych i szybkich ruchów prowadzące do minimalnych czasów
przestojów maszyn,
9
redukcje kosztów pracy - roboty bezpośrednio redukują ilość pracy oraz
usprawniają realizacje trudnych zadań,
9
zwiększenie ergonomii i bezpieczeństwa pracowników - roboty
minimalizują wypadki spowodowane powtarzaniem tych samych czynności
oraz kontaktem z niebezpiecznymi maszynami,
9
lepsza jakość wyrobów przy mniejszej ilości odpadów - dzięki
powtarzalności, przewidywalności i lepszej kontroli nad spójnością
procesu.
Roboty przemys
Roboty przemys
ł
ł
owe
owe
22
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Najczęstszym zastosowaniem w tej
dziedzinie jest rozbrajanie bomb.
Roboty produkowane do tego celu
maja postać bardzo stabilnej
ruchomej platformy, na której
zamocowana jest kamera i silne
źródło światła. Robot taki,
kontrolowany zdalnie przez operatora,
jest w stanie rozbroić bombę lub przy
pomocy manipulatora przenieść ja w
miejsce gdzie detonacja nie wyrządzi
nikomu szkody.
Roboty militarne
Roboty militarne
23
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Zastosowaniem robotów często jest eksploracja
środowisk z jakichś powodów niedostępnych dla
człowieka. Przykładem są roboty przeznaczone do
pracy pod woda – mające postać zdalnie
sterowanych bądź w większym stopniu
autonomicznych mini-łodzi podwodnych
wyposażonych w kamery i manipulatory.
Istnieją te roboty przeznaczone do operowania w
środowiskach o bardzo silnej radiacji, takie jak
zbudowany na wzór pająka Robug III. Wdzięcznym
dla inteligentnych maszyn zadaniem jest
też eksploracja kosmosu, w czym utwierdziły nas
sukcesy takich konstrukcji jak Sojourner, Spirit oraz
Opportunity przeznaczonych do eksploracji Marsa.
Roboty militarne
Roboty militarne
24
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Roboty medyczne
Roboty medyczne
25
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Roboty mobilne
Roboty mobilne
26
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Roboty humanoidalne
Roboty humanoidalne
27
9
Konfiguracja kartezjańska (PPP)
9
Konfiguracja cylindryczna (OPP)
9
Konfiguracja antropomorficzna (OOO)
9
Konfiguracja sferyczna (OOP)
9
Konfiguracja SCARA (OOP)
9
Manipulatory równoległe o zamkniętym łańcuchu
kinematycznym
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Klasyfikacja na podstawie w
Klasyfikacja na podstawie w
ł
ł
asno
asno
ś
ś
ci
ci
geometrycznych
geometrycznych
28
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. Taka struktura
manipulatora jest korzystna w
zastosowaniach głównie do montażu
na blacie stołu oraz do transportu
materiałów lub ładunków.
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Konfiguracja kartezja
Konfiguracja kartezja
ń
ń
ska (PPP)
ska (PPP)
29
Pierwszy przegub jest obrotowy i
wykonuje obrót względem podstawy,
podczas gdy następne przeguby są
pryzmatyczne. W takiej strukturze
zmienne przegubowe są jednocześnie
współrzędnymi cylindrycznymi końcówki
roboczej względem podstawy, a
przestrzenią roboczą jest niepełny
cylinder.
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Konfiguracja cylindryczna (OPP)
Konfiguracja cylindryczna (OPP)
30
Do grupy manipulatorów antropomorficznych
zalicza się te manipulatory które posiadają
strukturę składająca się z trzech przegubów
obrotowych. Przedstawiona struktura
manipulatorów nosi równie nazwę
manipulatorów z łokciem.
Manipulatory tej klasy posiadają często
dodatkowe człony w celu zwiększenia liczby
stopni swobody, jednak jest to konfiguracja
antropomorficzna ponieważ trzy pierwsze
pary kinematyczne licząc od podstawy są
obrotowe.
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Konfiguracja antropomorficzna (OOO)
Konfiguracja antropomorficzna (OOO)
31
Konfiguracja sferyczna powstaje z
zastąpienia w konfiguracji
antropomorficznej trzeciego przegubu
obrotowego przegubem
pryzmatycznym. Nazwa tej konfiguracji
wywodzi się stąd, że współrzędne
sferyczne, określające położenie
końcówki roboczej względem układu
współrzędnych o początku w
przecięciu osi z1 i z2, są takie same,
jak trzy pierwsze zmienne
przegubowe.
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Konfiguracja sferyczna (OOP)
Konfiguracja sferyczna (OOP)
32
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
SCARA (Selective Compliant
Articulated Robot for Assembly)
Głównym przeznaczeniem tej klasy
manipulatorów jest montaż elementów i
podzespołów oraz powtarzalne przenoszenie
detali oraz ich sortowanie.
Strukturę tę równie wykorzystuje się
do tworzenia obwodów drukowanych w
elektronice. SCARA posiadając strukturę
(OOP), różni się od konfiguracji sferycznej
wyglądem jak i obszarem zastosowania.
Konfiguracja SCARA (OOP)
Konfiguracja SCARA (OOP)
33
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Zasada działania tego typu robotów opiera
się na idei odpowiednio zaprojektowanych
ramion robota. Użycie tych ramion pozwala
ustawić pozycję i orientację ruchomej
platformy. Takie roboty posiadają
3 ramiona, które wprowadzają 3 stopnie
swobody. Ruchoma platforma jest
wyposażona w efektor który posiada
dodatkowy stopień swobody umożliwiający
np. obrót.
Manipulatory r
Manipulatory r
ó
ó
wnoleg
wnoleg
ł
ł
e o zamkni
e o zamkni
ę
ę
tym
tym
ł
ł
a
a
ń
ń
cuchu kinematycznym
cuchu kinematycznym
34
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
35
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Wady i zalety poszczeg
Wady i zalety poszczeg
ó
ó
lnych konfiguracji manipulator
lnych konfiguracji manipulator
ó
ó
w
w
2 możliwości osiągnięcia pozycji w
przestrzeni roboczej, trudna do
sterowania, bardzo skomplikowana
struktura ramienia.
1 napęd liniowy + 2 obrotowe,
duża sztywność manipulatora,
stosunkowo duża i
nieskomplikowana przestrzeń
robocza
OOP
SCARA
niewygodna w omijaniu przeszkód,
stosunkowo mały zasięg pionowy
1 napęd liniowy + 2 obrotowe
dają stosunkowo duży zasięg
poziomy
OOP
sferyczna
Struktura trudna do
programowania, 2 lub 4 sposoby
osiągnięcia pozycji w przestrzeni,
najbardziej skomplikowana
struktura
3 napędy obrotowe pozwalają
omijać przeszkody, stosunkowo
duża przestrzeń robocza,
OOO
antropomorficzna
Niewykonalne osiągnięcie położenia
efektora ponad manipulatorem,
niewygodna w omijaniu przeszkód
2 liniowe napędy + 1 obrotowy
pozwala osiągnąć położenie wokół
siebie, ruch obrotowy łatwy w
programowaniu
OPP
cylindryczna
Wymaga dużego miejsca do pracy
3 liniowe napędy, łatwość
wizualizacji pracy, łatwa w
programowaniu, duża sztywność
PPP
kartezjańska
Wady
Zalety
Oznaczenie
Konfiguracja
36
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
9
Jednostki monolityczne
9
Jednostki modułowe
9
Jednostki pseudomodułowe
Klasyfikacja na podstawie budowy jednostki
Klasyfikacja na podstawie budowy jednostki
kinematycznej
kinematycznej
37
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Do tego typu konstrukcji zalicza się
jednostki kinematyczne o stałej,
niezmiennej konstrukcji mechanizmu.
Producent dostarcza wszystkie
niezbędne zespoły ruchu wraz
z efektorem zgodnie z oczekiwaniami
odbiorcy. Przy obecnym rozwoju
techniki należy zauważyć, że jednostki
monolityczne znajdują coraz mniejszą
grupę odbiorców ze względu na
wymagania związane z elastycznością
zrobotyzowanych systemów
produkcyjnych.
Jednostki monolityczne
Jednostki monolityczne
38
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Do tego typu konstrukcji zalicza się jednostki
kinematyczne złożone zgodnie z potrzebami z
dostarczonych przez producenta gotowych
zespołów ruchu.
Pomimo że producent nie ogranicza możliwych
do zestawienia struktur, jednak są one
ograniczone przez własności mechaniczne
i dynamiczne dostarczonych modułów.
Przykładowo odbiorca dostarcza informacji na
temat zadanych zakresów ruchu poszczególnych
członów manipulatora, a producent dostarcza
odpowiednie moduły wraz z układem zasilania i
sterowania.
Jednostki modułowe mogą być bardzo
wygodnym rozwiązaniem ze względów
ekonomicznych oraz technologicznych.
Jednostki modu
Jednostki modu
ł
ł
owe
owe
39
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
Do tej grupy konstrukcji zalicza się jednostki
o stałej strukturze kinematycznej, ale
dopuszczonej przez producenta możliwości
wymiany przez użytkownika niektórych
zespołów ruchu, z reguły będących na
końcu łańcucha kinematycznego.
Jednostki
Jednostki
pseudomodu
pseudomodu
ł
ł
owe
owe
40
Automatyka i Robotyka
Wykład nr 12
9
Roboty spawalnicze
9
Roboty malarskie
9
Roboty montażowe
9
Roboty do przenoszenia materiałów i załadunku palet
9
Roboty stosowane do obróbki materiałów
9
Roboty do utylizacji i zabezpieczania odpadów
Klasyfikacja ze wzgl
Klasyfikacja ze wzgl
ę
ę
du na obszar
du na obszar
zastosowa
zastosowa
ń
ń
41