3

4. Roboty i manipulatory o strukturach równoległych

Roboty o strukturach równoległych definiuje się jako roboty złożone z. dwóch tzw.

platform połączonych więcej niż jednym łańcuchem kinematycznym. Charakterystyczne dla
obrabiarek   typu   hexapod   struktury   równoległe   są   oparte   na   zamkniętym   łańcuchu
kinematycznym.   Taki   sposób   budowy   ma   istotne   zalety   w   stosunku   do   konstrukcji
konwencjonalnych. Oś napędowa nie „dźwiga” innych osi napędowych. Dzięki małej masie
własnej członów ruchomych korzystniejsze są warunki do uzyskania dużych przyspieszeń.
Siła wychodząca z miejsca działania efektora nie jest przenoszona przez długi, szeregowy
łańcuch wielu elementów, lecz przez kilka równolegle działających ramion, z czego wynika
duża sztywność struktury układu. W następstwie przeważnie liniowego działania członów
wykonawczych   w   członach   łączących,   narażonych   jedynie   na   obciążenie   ściskające   lub
rozciągające, uzyskuje się dla nich niewielki stosunek masy do sztywności. Powyższe zalety
można ująć w punktach:


możliwość realizacji ruchu w przestrzeni o 6 stopniach swobody,



korzystny stosunek masy do objętości,



duże prędkości i przyspieszenia osiągane przez platformę roboczą,



duża sztywność i wynikająca stąd wysoka dokładność pozycjonowania,



mała masa części ruchomych,



wysoka częstotliwość drgań własnych,



wszystkie napędy są identyczne (elementy powtarzalne), a silniki są umieszczone na

nieruchomej podstawie.

Przystosowanie tych struktur do przemysłu nie jest łatwe. Wiąże się to z ich wadami,

którymi są:


ograniczona przestrzeń robocza, często dużo mniejsza niż gabaryty robota,



bezpośrednie parametry geometryczno-kinematyczne są trudne do wyznaczenia,



wysokie wymagania w stosunku do układu sterowania, ponieważ są prowadzone

transformacje współrzędnych dla wszystkich sześciu osi,



występowanie punktów osobliwych w przestrzeni robota,



możliwość kolizji między podporami a efektorem,



wysokie sprzężenie między ruchomymi łańcuchami kinematycznymi,



duże cieplne długości oddziaływania.

Trudności są również związane z koniecznością efektywnego sterowania takich maszyn

w trzech lub więcej osiach jednocześnie. Dopiero wprowadzenie sterowników cyfrowych
umożliwiło prowadzenie odpowiednich obliczeń w czasie rzeczywistym.

Istnieje bardzo duży zestaw rozwiązań manipulatorów o strukturze równoległej. Podział

ich uwzględnia głównie liczbę szeregowych łańcuchów łączących platformę z podstawą,
zwanych ramionami robota. Najczęściej spotykane rozwiązania mają sześć lub trzy ramiona i
są zwane odpowiednio hexapodami i tripodami.

Według danych literaturowych maszyny na bazie hexapodów mogą mieć następujące

zastosowania:


w obróbce wiórowej: przecinanie materiału i frezowanie (obróbka form, obróbka

łopatek turbin itd.),



w szlifowaniu: szlifowanie narzędzi, dokładna obróbka materiałów ceramicznych,



w montażu: precyzyjny montaż, precyzyjne manipulowanie lekkimi przedmiotami,



w specyficznych zastosowaniach: cięcie i spawanie laserem, cięcie strugą wody, cięcie

plazmowe, wytwarzanie protez, wycinanie w drewnie, cięcie kryształów, wytwarzanie
wyrobów jubilerskich, polerowanie, stępianie ostrych krawędzi,



w obrabiarkach dużej wielkości (np. o konstrukcji bramowej); do wykonywania

dużych narzędzi np. form i matryc,



w nanotechnologii do manipulowania bardzo małymi obiektami.

4.1. Manipulatory równoległe o trzech stopniach swobody

4.1.1. Płaskie manipulatory równoległe

Płaski manipulator równoległy zawiera trzy napędzane kończyny o sterowanej zmiennej

długości między odpowiednimi przegubami przy platformie i podstawie, co umożliwia
osiągnięcie żądanej pozycji i orientacji platformy w granicach przestrzeni roboczej.

Rozróżnia się trzy typy płaskich manipulatorów równoległych o trzech stopniach

swobody:
 manipulator 3(RRR) - płaski ruch platformy (przesunięcie i obrót) uzyskuje się przez

zmianę długości siłowników kończyn manipulatora (rys. 32a),

 manipulator 3(RPR) - płaski ruch (przesunięcie i obrót) platformy jest określony przez

zmiany kątów konfiguracyjnych kończyn manipulatora zależnie od czasu (rys. 32b),



manipulator 3(PRR) piaski ruch platformy (przesunięcie i obrót) uzyskuje się przez

przesunięcie punktu bazowego wzdłuż boków podstawy (rys. 32c).

Rys. 32. Płaskie manipulatory równoległe: a) 3(RRR). b) 3(RPR), c) 3(PRR)

Manipulatory równoległe 3(RRR) charakteryzują się większą przestrzenią roboczą,

manipulatory 3(RPR) oraz 3(PRR) większym udźwigiem.

Płaskie manipulatory równoległe są używane w przemyśle elektronicznym do montażu

drobnych elementów. Dzięki ich zastosowaniu uzyskuje się wysoką dokładność
pozycjonowania i orientowania montowanych elementów. Manipulatory te charakteryzują się
wysokimi wartościami prędkości i przyspieszeń, co umożliwia użycie ich do szybkiego
montażu.

4.1.2. Sferyczne manipulatory równoległe

Pierwsze sferyczne manipulatory równoległe zostały zaprojektowane do celów

wojskowych. Ich zadaniem było orientowanie w przestrzeni anten radarowych i satelitarnych:
mogą być też stosowane do orientowania teleskopów, baterii słonecznych oraz w układach
zawieszeń pojazdów. Obecnie studiuje się możliwości wykorzystania sferycznych
manipulatorów równoległych w biomechanice, m.in. do zastąpienia istniejących sztucznych
stawów.

Sferyczne manipulatory równoległe charakteryzują się trzema rotacyjnymi stopniami

swobody platformy roboczej. Zawierają one trzy łańcuchy kinematyczne (RRR) lub (SPK),
łączące człon roboczy z podstawą, przy czym każdy z tych łańcuchów zastępuje jedno
napędzane połączenie obrotowe lub przesuwne.

Istnieją dwa rozwiązania sferycznych manipulatorów równoległych różniących się

rozmieszczeniem siłowników (rys. 33).

Rys. 33. Równoległe manipulatory sferyczne: a) siłowniki są rozmieszczone na

wierzchołkach podstawy. b) siłowniki są umiejscowione w jednej płaszczyźnie blisko siebie

Sferyczny manipulator 3(RRR) składa się z platformy połączonej z podstawą za

pomocą trzech łańcuchów kinematycznych z parami obrotowymi (RRR), gdzie każdy łańcuch
jest napędzany przez oddzielny siłownik umieszczony na podstawie. Takie rozmieszczenie
siłowników nie obciąża  członów  ruchomych  i nie ogranicza  ich masy.  Charakterystyczną
cechą   sferycznych   manipulatorów   równoległych   3(RRR)   jest   przecinanie   się   w   jednym
punkcie   osi   wszystkich   połączeń   obrotowych.   Podstawa   i   człon   roboczy   tworzą   dwa
ostrosłupy o wspólnym wierzchołku. Osie połączeń obrotowych leżą na krawędziach tych
ostrosłupów.

Sferyczny manipulator o trzech stopniach może być również napędzany siłownikami

liniowymi. W takim przypadku człon roboczy jest podparty względem podstawy za pomocą
przegubu kulistego, określającego środek ruchu kulistego, a ponadto jest połączony z
podstawą za pośrednictwem trzech kończyn w trzech oddzielnych punktach. Każda z kończyn
ma połączenie kuliste z członem roboczym i połączenie z przegubem krzyżowym z podstawą.
Długości kończyn są sterowane za pomocą siłowników.

4.2. Przestrzenne manipulatory równoległe o większej liczbie stopni swobody
4.2.1. Platforma Stewarta i Stewarta-Gougha

Platforma Stewarta, której ogólny schemat kinematyczny przedstawiono na rys. 34, ma

sześć kończyn, połączonych z podstawą i platformą za pomocą przegubów kulistych
(sferycznych) lub krzyżakowych. Przez sterowanie zmianami długości wszystkich sześciu
kończyn można zapewnić platformie odpowiednią liczbę stopni swobody.

Rys. 34. Platforma Stewarta

Dla przestrzennych manipulatorów równoległych typu (6-6) o szczególnych

proporcjach   wymiarów,   np.   o   symetrycznym   rozmieszczeniu   przegubów   przy   płaskiej
podstawie   lub   płaskiej   platformie   (rys.   35).   można   otrzymać   jawne   rozwiązania   zadania
prostego   kinematyki   do   określenia   położenia   członu   roboczego.   Nic   więc   dziwnego,   że
manipulatory o symetrycznej topologii równoległej ze swoimi zdolnościami manipulacyjnymi
są bardzo szeroko stosowane, choć wydaje się, że najlepiej będą wykorzystane w procesach
elastycznego montażu.

Rys. 35. Schemat ogólny platformy Stewarta-Gougha

Na rys. 36 pokazano platformę Stewarta-Gongha zaprojektowaną z myślą o

zastosowaniu w neurochirurgii testowaną też w procesach elastycznego montażu. Na
platformie podstawowej (górnej) rozmieszczono symetrycznie sześć przegubów kulistych, a
na platformie roboczej (dolnej) 3x2 przegubów kulistych, które są połączone za

Konstrukcja manipulatora ma kształt dźwigniowego mechanizmu przestrzennego o

stałych długościach elementów ruchomych i sześciu zmiennych współrzędnych: liniowych l

i l

i kątowych φ

, φ

i φ

, zapewniających realizację przemieszczeń w trzech osiach i

zmianę kątów orientacji wokół tych osi elementu wyjściowego z chwytakiem. Mechanizm ma
konstrukcję   równołeglą   i   składa   się   z   trzech   identycznych   modułów.   Platformę   ruchomą
stanowi   półkrzyżak   przestrzenny,   którego   konstrukcję   wygodnie   jest   rozważać   jako
skojarzoną z ostrosłupem będącym wyciętym  narożem sześcianu o identycznych  ścianach
tłocznych.   Równoboczny   trójkąt   ściany   podstawy   ostrosłupa   stanowi   płytę   mocowania
chwytaka.   W   wierzchołku   głównym   ostrosłupa   P   umieszczono   specjalny   przegub
wielokrotny,   który   może   być   traktowany   jako   uogólniony   trzykrotny   przegub   kulisty,
zapewniający wspólny punkt stały przegubów trzech łączników  zawieszenia  platformy na
wózkach   trzech   silników   liniowych   l

, l

i l

ulokowanych na podstawie. Zmiany

współrzędnych l

wywołują przemieszczenia punktu P w przestrzeni. Łączniki związane z

przegubem   wielokrotnym   są   nazywane   łącznikami   przemieszczeń.   Są   one   połączone   z
wózkami   za   pomocą   przegubów   kulistych.   W   wierzchołkach   trójkąta   równobocznego
platformy ruchomej umieszczono przeguby kuliste kolejnych trzech łączników skojarzonych
z łącznikami przemieszczeń, tak ze każdy z nich ma identyczną długość jak łącznik, z którym
jest skojarzony, a na drugim końcu jest zakończony przegubem kulistym związanym z tzw.
mostkiem o długości identycznej jak krawędź boczna ostrosłupa platformy ruchomej. Mostki
są   związane   z   wózkami   silników   l

obrotowo, w ten sposób że punkty stałe przegubów

łączników przemieszczeń nie zmieniają swego położenia w układach wózków (znajdują się na
osiach obrotu), natomiast mostki z punktami stałymi przegubów łączników skojarzonych
mogą być obracane wokół tych osi o kąty φ

, φ

i φ

Napęd tych ruchów może być też realizowany za pomocą silników za montowanych na

wózkach l

lub transmitowany za pomocą mechanizmów tzw. równoległowodowych, z

silników ulokowanych na odstawie w sposób pokazany na rys. 38.

Rys. 38. Manipulator POLMAN z silnikami ulokowanymi w podstawie

Ruchy obrotowe elementów wejściowych mechanizmów równoległowodowych φ

przenoszone na mostki i przez łączniki skojarzone na platformę ruchomą manipulatora
zapewniają zmianę orientacji chwytaka w przestrzeni. Łączniki te są nazywane łącznikami
transmisji ruchów obrotowych. Wersję takiego manipulatora z dołączonymi mechanizmami
równoległowodowymi zrealizowanymi z użyciem podwójnych przekładni paskowych
zębatych o przełożeniu 1:1 pokazano na rys. 38. Zakres ruchu silników liniowych wynosi
0,2÷0,25 długości łączników, ruch obrotowy równoległowodów w zakresie +60° zapewnia
zmianę orientacji chwytaka w obrębie stożka o kącie wierzchołkowym ok. 120°.

W przypadku zastosowania liniowych silników elektrycznych mechanizm może

zapewnić wykorzystanie pełnych możliwości tych napędów, jak: krótkie stałe czasowe, brak
histerezy   mechanicznej,   możliwość   rozwijania   dużych   przyśpieszeń,   bardzo   krótkie   czasy
realizacji   ruchów.   Jednocześnie   kompensuje   się   wady   tych   napędów,   jak   duża   masa   czy
wrażliwość   na   zmianę   bezwładności   dołączonej.   Napędy   ulokowane   na   podstawie   nie
obciążają   elementów   ruchomych   manipulatora,   nie   pogarszając   w   ten   sposób   jego
właściwości   dynamicznych.   Nie   występuje   problem   zginania   czy   skręcania   kabli,   mogą
bowiem być na stałe związane ze stałymi, nieruchomymi fragmentami konstrukcji. Również
kabel napędu chwytaka nie podlega skręcaniu, a jedynie ograniczonemu przeginaniu.

Obecnie jednym z poważniejszych problemów badawczych podejmowanych i

rozwijanych  przez wiele ośrodków na świecie są właściwości manipulacyjne  robotów. W
przypadku   manipulatorów   równoległych   mogą   one   dotyczyć   prędkości   i   przyspieszeń
rozwijanych   przez   końcówkę   manipulatora   i   są   związane   z   dokładnością   odtwarzania
trajektorii, sztywnością oraz możliwością oddziaływania siłowego na otoczenie, co jest bardzo
istotne   dla   robotów   technologicznych   wykorzystywanych   np.   w   obróbce   skrawaniem.
Podejmowane   są   również   prace   nad   analizą   manipulatorów   pod   kątem   unikania   przez
manipulator położeń osobliwych oraz analizą i syntezą mechanizmów manipulacyjnych pod
względem   ich  izotropowości.  Dobre  właściwości   izotropowe  są  pożądane,  gdy końcówka
robota   stosowanego   w   procesach   technologicznych,   jak   montaż   lub   operacje   typu   rapid-
prototyping, powinna poruszać się w przestrzeni z dużą prędkością i osiągać odpowiednio
dużą dokładność.

4.2.3. Manipulator równoległy typu DELTA

Klasycznym przykładem rozwiązania konstrukcyjnego manipulatorów równoległych

jest manipulator typu DELTA o strukturze 3(RRR) - rys. 39. Umożliwia on przemieszczanie
chwytaka do zadanej pozycji w trójwymiarowej przestrzeni, określonej przez trzy osie X, Y,
Z, przy czym platforma wykonuje ruchy równoległe do płaszczyzny odniesienia, ale nie może
obracać się wokół osi prostopadłej do tej płaszczyzny - osi Z.

Człon roboczy łączą z podstawą trzy identyczne kończyny składające się z dwóch

części: z ramienia obracającego się w płaszczyźnie pionowej, napędzanego przez silnik
zamocowany na podstawie i z dwóch przegubów kulistych, łączących ramię z dolnym
równoległobokiem przegubowym, który przekazuje ruch platformie.

Przemieszczenie platformy wynika ze złożenia ruchów trzech łańcuchów (kończyn).

Każdy z nich składa się z ramienia obrotowego o napędzanej osi przy podstawie i
równoległoboku przegubowego, połączonego z ramieniem i platformą. Trzy równoległoboki
zapewniają stateczność układu (trzy ruchy orientacji są wyeliminowane przez połączenie z
jedną wspólną platformą). Przeguby łączące trzy równoległoboki z platformą są usytuowane
na trzech bokach trójkąta równobocznego. Konstrukcja taka wymaga jednoczesnego ruchu
trzech silników w celu uzyskania prostoliniowego przemieszczenia platformy ruchomej, a
dodatkowo - ponieważ przyrosty przemieszczeń są zmiennymi funkcjami położenia platformy

i kierunku ruchu - przy stałej prędkości silników uzyskuje się zmienną prędkość ruchu
platformy.

Rys. 39. Schemat manipulatora DELTA

W manipulatorach o takiej strukturze silniki i przekładnie są zamocowane na

nieruchomej   podstawie   (poza   przestrzenią   roboczą),   co   nie   powoduje   obciążeń   członów
ruchomych   i   nie   determinuje   doboru   silników   ze   względu   na   ich   wielkość   i   masę.
Rozwiązania takiego typu nie będzie dotyczyć  więc problem ruchomych kabli, co ułatwia
podłączenie silników i układów sterowania. Na rys. 40 pokazano manipulator typu DELTA.

Rys. 40. Manipulator DELTA

W praktyce manipulatory typu DELTA są stosowane do manipulacji drobnymi

przedmiotami występującymi w elektronice, przemyśle farmaceutycznym i spożywczym,
zwłaszcza w środowiskach, gdzie obecność człowieka jest niepożądana.

5. Roboty i manipulatory o strukturach hybrydowych

Punktem wyjściowym do rozwoju hybrydowych struktur manipulatorów były zadania

wychodzące z przemysłu. Elektryczny napęd bezpośredni tworzy nowe perspektywy, ale i
nowe problemy w konstrukcji robotów. Brak luzów i małe tarcie w manipulatorach z takim
napędem umożliwia wykorzystanie ich zdeterminowanych modeli dynamicznych w układach
sterowania. Jednostki napędu bezpośredniego są jednak bardzo ciężkie, a oprócz tego między
poszczególnymi   stopniami   swobody   występują   z   reguły   znacznie   większe   sprzężenia
dynamiczne,   niż   w   przypadku   tradycyjnego   napędu   z   reduktorami   o   dużym   przełożeniu.
Podejmowane   są   próby   zmniejszenia   tych   sprzężeń   przez   odpowiedni   rozkład   mas   oraz
zdalny napęd z użyciem tzw. równoległowodów (z ang. Parallel plate driver lub parallel-link
coupling). Typowym przykładem jest robot ADEPT ONE typu SCARA z dwoma silnikami
napędu bezpośredniego, umieszczonymi na podstawie. Pierwszy człon tego manipulatora jest
napędzany   bezpośrednio,   a   drugi   za   pośrednictwem   taśmy   stalowej   spełniającej   zadanie
równoległowodu o zakresie przenoszonych przemieszczeń kątowych ograniczonych do ok.
±30°. Wprowadzenie rozwiązań zapewniających nieograniczone zakresy ruchów obrotowych
w   przegubach   manipulatorów   znacznie   poprawia   ich   właściwości   manipulacyjne.
Zwiększenie prędkości w takich manipulatorach nie wymaga stosowania skomplikowanych
zabezpieczeń   i   uwzględniania   stref   hamowania   w   pobliżu   granic   przestrzeni   roboczej.
Przykładem   robota   o   sześciu   stopniach   swobody   i   nieograniczonym   zakresie   ruchów
obrotowych   we   wszystkich   przegubach   jest   TELBOT,   w   którym   silniki   napędowe   są
umieszczone  na   podstawie,  a  transmisja   napędu  odbywa   się  za   pośrednictwem   wałków   i
przekładni zębatych stożkowych. Manipulator ten nie ma żadnych ograniczeń konfiguracji,
ale ze względu na małą sztywność konstrukcji i skomplikowany układ przenoszenia napędu
zawierający 20 przekładni zębatych stożkowych, nie może być wykorzystywany do realizacji
szybkich i dokładnych ruchów.

5.1. Manipulator o strukturze hybrydowej PAROS-4

Przykładem robota o strukturze hybrydowej jest manipulator PAROS-4 o czterech

stopniach swobody, przeznaczony do cięcia szkła do produkcji samochodów osobowych. W
tym przypadku problem sprowadza się do odpowiedniego orientowania końcowego efektora,
którym jest koło tnące. Tak więc, dla efektora roboczego wymaga się wolnego stopnia
swobody wzdłuż osi Z, tak aby zapewnić większą swobodę ruchu do orientacji narzędzia
wokół tej osi. Strukturę manipulatora pokazano na rys. 41.

Rys. 41. Struktura manipulatora wraz z silnikami i przekładniami

Silnik nr 1 przez zamianę ruchu obrotowego na przesuwny realizuje przesuw wzdłuż osi

Z, silniki nr 2 i 4 powiązane z odpowiednimi przekładniami są odpowiedzialne za ruchy
obrotowe (rotacja bez ograniczeń), silnik nr 3, powodujący obrót całego ramienia, ma zakres
obrotu ograniczony do ok. 60°. Do obrotu wrzeciona może być zastosowany napęd
bezpośredni.

Omawiany manipulator jest wykorzystywany w obróbce szkła, gdzie współpracuje ze

specjalnie zaprojektowanym ruchomym stołem o dwóch stopniach swobody w kierunkach osi
X i Y; stół ten dodatkowo może być przechylany wokół tych osi.

Taka kombinacja hybrydowego manipulatora o czterech stopniach swobody ze stołem

ruchomym (dwa stopnie swobody) umożliwia cięcie w sześciu osiach. Możliwe jest użycie
PAROS-a 4, oprócz ciecia szkła, również do innych zadań w obszarze obróbki 6-osiowcj z
małymi siłami, jak np. obróbka miękkich materiałów czy grawerowanie.

Struktura manipulatora PAROS 4, w przeciwieństwie do konwencjonalnych

kinematycznych maszyn, jak również do całkowicie równoległych struktur, ma następujące
zalety:
 dobre właściwości dynamiczne, dzięki temu, że wszystkie napędy są umieszczone na

nieruchomej górnej półce, przez co nie obciążają członów roboczych maszyny (zaleta
typowa dla struktur równoległych),

 duża ruchliwość efektora,
 nie występuje problem zginania czy skręcania kabli,
 kompatybilna budowa, z powodu uporządkowania wszystkich napędów wzdłuż jednej

głównej osi,

 nieskomplikowane sterowanie, gdyż zadanie proste i odwrotne kinematyki jest

rozwiązywalne analitycznie.

Dodatkową zaletą zastosowania takiego rozwiązania jest możliwość usunięcia

wewnętrznego łańcucha kinematycznego i przez to zredukowanie maszyny do trzech stopni
swobody. W takim przypadku wszystkie kable energetyczne i sygnałowe mogą być
poprowadzone bezpośrednio przez wnętrze manipulatora wzdłuż osi głównej, co jest dużą
zaletą w takich zadaniach, jak cięcie strumieniem wody, prowadzenie laserowe, nanoszenie
kleju lub masy uszczelniającej.

5.2. Manipulator o strukturze hybrydowej Georg V

Innym przykładem robota o strukturze hybrydowej jest manipulator typu Georg V,

przeznaczony do cięcia i spawania laserowego. Manipulator jest przedstawiony rys. 42.

Rys. 42. Robot o strukturze hybrydowej typu Georg V

Charakter hybrydowy maszyny ujawnia się w szeregowym połączeniu struktury tripoda

oraz   dwóch   napędów   umieszczonych   na   platformie   roboczej.   Dodatkowe   napędy
umiejscowione   na   platformie   umożliwiają   orientację   efektora   końcowego   w   przestrzeni.
Pierwszy   napęd   umożliwia   obracanie   efektora   wokół   osi   prostopadłej   do   płaszczyzny
platformy o kąt 360°, drugi natomiast wokół osi prostopadłej do poprzedniej o kąt ±60°.
Zastosowanie   takiej   struktury   łączy   zalety   manipulatorów   o   strukturach   równoległych   i
szeregowych, takich jak:
 duża sztywność konstrukcji
oraz
 dobre właściwości dynamiczne zapewnione dzięki zastosowaniu struktury tripoda,
 możliwość orientacji efektora w przestrzeni dzięki zastosowaniu dodatkowych osi obrotu.

Dlatego możliwe jest użycie manipulatora Georg V do obróbki laserowej np. w

przemyśle samochodowym. Zastosowanie serwonapędów oraz wysokiej jakości sterowania
numerycznego umożliwia osiągnięcie przez efektor końcowy stosunkowo dużych
przyspieszeń i prędkości.

6. Roboty mobilne

Roboty mobilne można podzielić na:

 roboty poruszające się po stałym torze jezdnym,
 autonomiczne roboty mobilne poruszające się samodzielnie.

6.1. Roboty poruszające się po stałym torze jezdnym

Istotą budowy robotów mobilnych przemieszczających się po stałym torze jezdnym jest

połączenie zrobotyzowanej jednostki transportowej (robot transportowy) z odpowiednią
zrobotyzowaną jednostką manipulacyjno-wykonawczą (robot manipulacyjny). Tor jezdny
stanowi dodatkową oś ruchu, zwiększa strefę manipulacyjną robota, umożliwia obsługę kilku
stanowisk roboczych lub montażowych. Mogą nim być szyny, a także suwnica lub brama.
Roboty suwnicowe i bramowe zaliczają się do mobilnych tylko wówczas, gdy w suwaku jest
zamocowany robot manipulacyjny.

Na rys. 43 przedstawiono ruchomy robot ROMEO. Ma on pięć osi napędzanych

silnikami elektrycznymi i jedną oś przesuwu - wózek poruszający się na szynach. Udźwig
robota ROMEO wynosi 50 kg, maksymalny zasięg manipulacji 1900 mm, dokładność
pozycjonowania ±0,5 mm, a maksymalna prędkość jazdy l m/s. Długość torów jezdnych
wynosi do kilku metrów.

Rys. 43. Ruchomy robot ROMEO na wózku szynowym; 1÷5 sterowane osie przemieszczeń

Robot taki łączy zadania transportowe (np. dostarczanie palet) z zadaniami

manipulacyjnymi   (obsługa   urządzeń   stanowiska   technologicznego)   –   możliwe   jest   zatem
zmniejszenie liczby urządzeń w danym procesie technologicznym. Na ruchomej platformie
robota   jest   umieszczony   manipulator   wraz   z   układem   sterowania   oraz   odpowiednie
urządzenia   pomocnicze,   np.   stół   obrotowy   z   paletą   wyrobów.   Wyposażenie   dodatkowe
stanowią zwykle: elastyczny zderzak, urządzenie pozycjonujące oraz urządzenia zasilające i
sterujące ruchem platformy.

Mobilny robot bramowy suwnicowy pokazano na rys. 44. Robot mobilny bramowy

powierzchniowy jest przedstawiony na rys. 45. Mobilne roboty bramowe mogą mieć do 17
metrów długości (oś X), 13 metrów prześwitu (oś Y), 8 metrów wysokości (oś Z) i mieć siłę
udźwigu do 170 ton. Ze względu na dużą przestrzeń roboczą mobilny robot bramowy może
wykonywać   pracę   kilku   robotów   stacjonarnych.   Ze   względu   na   tak   dużą   powierzchnię
roboczą roboty bramowe  mogą  być  stosowane również w systemach  wielomaszynowych.
Uważa się je za najkorzystniejsze pod względem systemu wytwórczego. Robot umieszczony
centralnie  obsługuje kilka  stanowisk wytwórczych,  które mogą  być  zorganizowane  np. w
formie elastycznego gniazda lub elastycznego systemu obróbkowego.

Rys. 44. Robot mobilny bramowy suwnicowy

Rys. 45. Robot mobilny bramowy powierzchniowy

W systemach obsługiwanych przez transportowe roboty mobilne łatwiej jest wykonać

zadania   wyłączania,   włączania   i   zmiany   stanowisk   obróbczych   lub   innych   jednostek
technologicznych   systemu.   Do   nielicznych   wad   tego   sposobu   elastycznej   automatyzacji
operacji transportowych  zalicza  się zwiększenie technologicznej  powierzchni,  związanej z
zabudową i oprzyrządowaniem dróg transportowych.

6.2. Autonomiczne roboty mobilne

Autonomiczne roboty mobilne stosowane w zakładach przemysłowych, określane

również terminem wózek AGV (ang. automated guided vehicle), pełnią funkcję elastycznego
środka transportowego. Wózki o najprostszych rozwiązaniach mogą poruszać się jedynie po
elementach prowadzących (np. namalowanej linii lub linii indukcyjnej). Bardziej
zaawansowane wózki AGV umożliwiają opuszczenie linii prowadzącej, samodzielny ruch do
pobliskiego celu, a po wykonaniu zadania powrót na trasę przejazdu. Najbardziej nowoczesne

wózki AGV, oparte na systemach autonomicznych, są zdolne do w pełni samodzielnej
nawigacji.

Istotą budowy robotów mobilnych jest połączenie zrobotyzowanej jednostki

transportowej (robot transportowy) z odpowiednią zrobotyzowaną jednostką
manipulacyjno-wykonawczą (robot manipulacyjny).

Autonomiczne roboty mobilne dzieli się obecnie na trzy grupy:

 mogące poruszać się wyłącznie do przodu,
 jeżdżące w przód i w tył,
 jeżdżące wzdłuż i w poprzek w każdą ze stron.
Rozwiązania kinematyczne stosowane w tych grupach omówiono poprzednio.

Na rys. 46a przedstawiono mechanikę trójkołowego wózka działającego wg schematu z

rys. 46c. Dwa nie napędzane koła 1 są równoległe do podłużnej osi symetrii robota, natomiast
koło  2  jest   kołem   kierującym,   sterowanym   od   silnika   7.   Zasilanie   dostarczane   jest   z
akumulatora  4.  Na   rys.   46b   pokazano   rozwiązanie,   w   którym   dwa   koła  1  napędzane   są
niezależnie za pomocą silników  5.  Przez sterowanie prędkościami  V

i V

można kierować

ruchem robota. Krzyżak 3 samoczynnie ustawia się wtedy w kierunkuj jazdy. Robot ten może
jednak być przewrócony przez siłę F działającą w rogu A lub B, tak wiec rozmieszczenie
ładunku jest tutaj bardzo istotne.

Rys. 46. Trójkołowy robocar: a) schemat ogólny, b) napęd na dwa koła, c) napęd za pomocą

koła kierowanego

Na rys. 47 przedstawiono konstrukcję czterokołowego robota mobilnego działającego

wg schematu z kołami kierowanymi. Jest to autonomiczny robot mobilny o dużych
możliwościach manewrowych. Kiedy pary kół są ustawione stycznie do okręgu o promieniu
R robot obraca się w miejscu dookoła punktu 0.

Bardzo ciekawym rozwiązaniem jest robot MWR (ang. mecanum wheel robot), mogący

poruszać się w dowolnym kierunku na płaszczyźnie. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu
czterech   kół   typu   Mecanum.   Koła   te   są  zbudowane   tak,   że   na   piaście   są   rozmieszczone
swobodnie   obracające   się   rolki   o   takim   kształcie   aby   tworzącą   koła   była   powierzchnia
walcowa. Rolki obrócone są o kąt 45˚ względem osi głównej koła. Każde koło jest napędzane
niezależnym   silnikiem   elektrycznym.   Przez   różne   kombinacje   prędkości   obrotowych   kół
możliwe jest uzyskanie dowolnego kierunku poruszania się. Mechanizmy wewnętrzne wózka
bezszynowego pokazano na rys. 48. Możliwości ruchowe robota zestawiono w tablicy 1.

Istnieją różne rozwiązania załadunku i wyładunku wózków AGV. Do każdego z nich

potrzebny jest na ogół specjalny wózek, palety oraz stacje załadunkowe i wyładunkowe.

Najczęściej na wózku znajduje się mechanizm przemieszczający paletę, jest to tzw. aktywna
stacja załadowczo/rozładowcza. Wtedy wózek odbiera paletę przeładunkową z magazynu
wejściowego (stacji załadunkowej) i dostarcza ją do stanowisk znajdujących się przy
maszynach. Na rys. 49 pokazano widok takiego wózka AGV.

Rys. 47. Czterokołowy autonomiczny robot mobilny: 1 - rama. 2 - obracane zawieszenie kół

3 - źródło energii. 4 - jednostka sterująca. 5 - koła

Rys. 48. Mechanizmy wewnętrzne wózka bezszynowego: 1 - silnik napędu jazdy, 2 – układ

napędu skrętu, 3 - koło jezdne, 4 – rolka oporowa, 5 – antena z sensorami, 6 – akumulatory, 7

- prostownik do ładowania akumulatorów, 8 – osłona zabezpieczająca (pałąk), 9 – układ

sterowania

Tablica 1. Możliwości ruchowe robota z kołami typu Mecanum

Rys. 49. Mechanizm przemieszczający paletę – aktywna stacja załadowczo/wyładowcza na

autonomicznym robocie mobilnym

Rys. 50. Robot mobilny z zamocowanym manipulatorem przegubowym

Ze względu na wymagania bezpieczeństwa ludzi, mogących dostać się w strefę

działania robota mobilnego, są wprowadzane zwykle ograniczenia konstrukcyjne:
 maksymalna prędkość przemieszczania do 0,5 m/s,
 prześwit nad podłogą; powinien on być tak mały, aby niemożliwe było przejechanie

przeszkody,

 wózki powinny być wyposażone w bufory z czujnikami wyłączającymi zasilanie w

przypadku zetknięcia się z przeszkodą.

Roboty mobilne są stosowane zwykle w przypadkach, gdy:

 brak jest miejsca na kilka robotów przemysłowych w określonej przestrzeni linii

montażowej,

 brak jest miejsca przy stanowiskach montażowych na magazyny wyrobów (palety),
 czas pracy urządzeń technologicznych jest znacznie dłuższy od czasu pracy obsługujących

te urządzenia robotów przemysłowych.

W systemach produkcyjnych obsługiwanych przez autonomiczne roboty mobilne, w

porównaniu z tradycyjnymi środkami automatycznego transportu, można łatwiej

Document Outline