Microsoft Word - PR ETI W 1.3.doc

Definicje i klasyfikacja robotów przemysłowych

1. Definicje podstawowe

Do dalszych rozważań przyjęto dwa podstawowe określenia, a mianowicie:

Manipulator - część mechaniczna, czyli maszyna przeznaczona do realizacji niektórych
funkcji kończyn górnych człowieka.
Robot - urządzenie przeznaczone do realizacji niektórych czynności manipulacyjnych i
lokomocyjnych człowieka, mające pewien określony poziom inteligencji maszynowej.

Podstawowym pojęciem w robotyce jest robot, określany również w literaturze jako

maszyna  manipulacyjna  z  programowanym  ruchem.  W  literaturze  technicznej  istnieje  wiele
definicji określających robota przemysłowego. W każdej w różnym stopniu wyszczególniono
cechy  charakteryzujące  te  urządzenia.  Zaliczyć  do  nich  można:  możliwość  wykonywania
głównych  lub  pomocniczych  czynności  w  zależności  od  procesu  technologicznego  (np.
zgrzewanie  lub  manipulacja  przedmiotem),  co  wymaga  kilku  niezależnych  stopni  swobody
(np.  co  najmniej  dwóch),  programowalność,  tj.  możliwość  odtwarzania  nauczonych  w
procesie uczenia ruchów oraz zmiany programu w zależności od potrzeb.
Podstawową definicję robota można znaleźć w Encyklopedii Powszechnej PWN:
„Robot  -  urządzenie  (maszyna)  przeznaczone  do  realizacji  niektórych  czynności
manipulacyjnych, lokomocyjnych, informacyjnych i intelektualnych człowieka”.

Definicja robota wg normy ISO ITR 8373:

„Manipulacyjny  robot  przemysłowy  jest  automatycznie  sterowaną,  programowaną,
wielozadaniową  maszyną  manipulacyjną  o  wielu  stopniach  swobody,  posiadającą  własności
manipulacyjne  lub  lokomocyjne,  stacjonarną  lub  mobilną,  dla  ważnych  zastosowań
przemysłowych".

Według Moreckicgo „robot to urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji

niektórych  czynności manipulacyjnych i lokomocvjnvch człowieku, mające określony poziom
energetyczny,  informacyjny  i  sztucznej  inteligencji  (autonomii  działania  w  pewnym
środowisku)".  Morecki  definiuje  również  robota  przemysłowego  jako  szczególny  przypadek
robota:  „urządzenie  techniczne  do  zastępowania  człowieka  przy  wykonywaniu  określonych
czynności  manipulacyjnych,  przystosowane  do  realizacji  rożnych,  łatwo  zmienianych
programów ruchu manipulacyjno-transportowego, użytecznego w procesie produkcyjnym”.

Niederliński stwierdza, że „roboty są narzędziami sterowanymi automatycznie,

dającymi  się  zaprogramować  do  wykonania  dużej  liczby  różnorodnych  sekwencji
precyzyjnych  czynności  manipulacyjnych,  jak  np.  uchwycenie  przedmiotu,  przemieszczenie
przedmiotu  (przeniesienie,  obrócenie),  pozostawienie  przedmiotu  w  określonej  pozycji,  w
kreślonym miejscu (zakładanie, zdejmowanie). Sekwencje wymienionych czynności mogą być
uzależnione  od  stanu  obsługiwanego  narzędzia  oraz  manipulowanego  przedmiotu  i  mogą
z kolei sterować obsługiwanym narzędziem”. Jak stwierdzają Buda i Kovač „pojęciem robot
przemysłowy  nie  należy  obejmować  nieprogramowanych,  jednozadaniowych  automatów
czynnościowych,  sterowanych  przez  człowieka  urządzeń  nianipulacyjnych  (manipulatory)
oraz  urządzeń,  w  których  człowiek  stanowi  jeden  z  elementów  układu  (teleoperatory)”.
Jednakże, jak pisze Jaroń, „cała nauka o robotach znajduje się jeszcze w powijakach, a próby
jej sformalizowania, łącznie z ogólną definicją robotów są jeszcze w studium początkowym”.
Reasumując, można powiedzieć, że: „Pod pojęciem robot przemysłowy rozumie się
manipulator wielofunkcyjny, skonstruowany dla przenoszeniu materiałów, części, narzędzi
lub specjalnych przyrządów mający programowane ruchy w celu wykonania różnorodnych
zadań”. Zasadnicze znaczenie w tej definicji ma programowalność i różnorodność
wykonywanych ruchów.

2. Klasyfikacja robotów przemysłowych

Jak już stwierdzono, nauka o robotach nie jest jeszcze w pełni sformalizowana i jako

nauka interdyscyplinarna, związana z mechaniką, sterowaniem, inteligencją maszynową i
zagadnieniami społecznymi, jest szczególnie trudna do zdefiniowania. Stąd też spotyka się w
literaturze różne ujęcia problemu klasyfikacji robotów.

Klasyfikację robotów przemysłowych można prowadzić na podstawie różnych,

podanych dalej wyróżników. Roboty przemysłowe można klasyfikować, biorąc pod uwagę
zasadnicze cechy budowy, rodzaj sterowania lub inne kryteria podziału, np. dokładność
pozycjonowania, mobilność.

2.1. Klasyfikacja robotów ze względu na budowę jednostki kinematycznej

Ze względu na sposób budowy jednostki kinematycznej maszyn manipulacyjnych dzieli

się je na: monolityczne, modułowe i pseudoodułowe.

Do jednostek monolitycznych zalicza się jednostki kinematyczne o niezmienialncj

konstrukcji mechanizmu (stałej strukturze kinematycznej). Konstrukcję monolityczną
użytkownik może co najwyżej uzupełnić chwyta kiem, narzędziem oraz dopuszczonymi przez
producenta (opcyjnymi) zespołami ruchu.

Jednostki modułowe producent dostarcza w postaci oddzielnych zespołów ruchu

(modułów)  -  użytkownik  zestawia  z  nich  mechanizm  o  zaprojektowanej  odpowiednio  do
potrzeb strukturze kinematycznej. Jakkolwiek producent nie ogranicza zbioru możliwych do
zestawienia  struktur,  to  jednak  z  reguły  narzuca  porządek  łączenia  modułów,  określony
statyczną  i  dynamiczną  wytrzymałością  konstrukcji,  charakterystykami  napędów  (np.
udźwigiem) itp.

Jednostki pseudomodułowe to jednostki kinematyczne o stałej, podobnie jak w

rozwiązaniach monolitycznych, strukturze kinematycznej, ale o dopuszczonej przez
producenta możliwości wymiany przez użytkownika robota niektórych zespołów ruchu, z
reguły ostatnich w łańcuchu kinematycznym zespołów ruchu.

2.2. Klasyfikacja robotów ze względu na strukturę kinematyczną

Klasyfikację robotów przemysłowych pod względem struktury kinematycznej pokazano

na rys. 1.

Ze względu na strukturę kinematyczną zespoły mechaniczne robotów przemysłowych

mogą być rozwiązane jako:

roboty stacjonarne,

lub

roboty mobilne, które mogą przemieszczać się względem podłoża.
Oczywiście możliwe jest także połączenie obu tych układów.

Manipulatory, czyli jednostki kinematyczne robotów, są zbudowane jako układ członów

połączonych ruchowo za pomocą tzw. par kinematycznych. Człony te mogą być łączone:

szeregowo, tworząc otwarty łańcuch kinematyczny,
równolegle, tworząc zamknięty łańcuch kinematyczny.

Wśród tradycyjnych rozwiązań robotów stacjonarnych o szeregowym układzie

kinematycznym  wyróżnia  się  grupy  typowych  rozwiązań,  charakteryzujących  się  podobnym
układem  zespołów  ruchu  (strukturą  kinematyczną),  definiowanym  przez  tzw.  naturalny  dla
danej  struktury  układ  osi  współrzędnych  oraz  formę  przestrzeni  roboczej.  W  tej  grupie
robotów można wyróżnić następujące zasadnicze rozwiązania konstrukcyjne.

Rys. 1. Klasyfikacja robotów przemysłowych

1) Robot w układzie kartezjańskim (prostokątnym), o prostokątnym układzie osi

współrzędnych, o trzech liniowych zespołach ruchu regionalnego oraz prostopadłościennych
przestrzeniach ruchu - rys. 2a. Konfiguracja ma prostokątny układ osi współrzędnych oraz
prostopadłościenną przestrzeń ruchu.

2) Robot w układzie cylindrycznym, o jednym obrotowym i dwóch liniowych zespołach

ruchu  regionalnego,  walcowym  układzie  osi  współrzędnych  oraz  cylindrycznych
przestrzeniach  ruchu  -  rys.  2b.  Jak  sugeruje  nazwa,  zmienne  przegubowe  są  zarazem
współrzędnymi  cylindrycznymi  końcówki  roboczej  względem  podstawy.  Konfiguracja
cylindryczna ma walcowy układ osi współrzędnych oraz cylindryczne przestrzenie ruchu.

3) Robot SCARA (ang. selectively compliant assembly robot arm). Jak wynika z nazwy

angielskiej (tłum. selektywnie podatne ramię robota montażowego), robot ten zaprojektowano
z myślą o zadaniach montażowych, ma on trzy osie równoległe, dwie o ruchu obrotowym, a
jedną o postępowym - rys. 2c. Konfiguracja SCARA ma strukturę RRP, jednak różni się
zdecydowanie od konfiguracji sferycznej zarówno wyglądem, jak i możliwościami
zastosowania.

4) Robot PUMA (ang. programmable universal manipulator for assembly) jest

przeznaczony specjalnie do zadań montażowych - rys. 2d. Robot o konfiguracji PUMA ma
strukturę kinematyczną taką, jak robot przegubowy, ale różni się od niego wyglądem i
możliwymi zastosowaniami.

5) Robot o strukturze sferycznej, o jednym liniowym oraz dwóch obrotowych zespołach

ruchu regionalnego, jest przedstawiony na rys. 2e.

6) Robot o strukturze przegubowej (rys. 2f) nazywany również manipulatorem obrotowym

lub manipulatorem antropomorficznym ma wszystkie obrotowe osie zespołów ruchu
regionalnego.

7) Robot wielokorbowy - rys. 2g.

Częstość występowania określonych struktur kinematycznych dla podstawowych

układów współrzędnych przemieszczenia ramienia robota była przedmiotem wielu analiz oraz
ocen.  Stwierdzono  w  najnowszych  rozwiązaniach  wysoki  wzrost  udziału  procentowego  par
kinematycznych  realizujących  układ  współrzędny  sferyczny  i  przegubowy  ze  wskazaniem
zdecydowanej  przewagi  trzech  par  obrotowych  (przyrost  z  2  do  20%  w  latach  1974-  1984).
Wydaje  się,  że  tendencja  będzie  się  utrzymywać  ze  względów  eksploatacyjnych  (np.
możliwość  przenoszenia  znacznych  ciężarów)  oraz  dużej  objętości  przestrzeni  roboczej.  W
przypadku  robotów  przeznaczonych  do  obsługi  obrabiarek  dominuje  jednak  układ
prostokątny.

Rozwiązania jednostek kinematycznych o bardziej złożonych układach zespołów ruchu

regionalnego lub zwielokrotnionych łańcuchach kinematycznych są z reguły odpowiednią
kombinacją wymienionych struktur.

Oprócz struktury jednostki kinematyczne maszyn manipulacyjnych charakteryzują się

różnymi właściwościami mechanizmu. Zalicza się do nich:

sposób budowy mechanizmu jednostki kinematycznej,
właściwości napędowe zespołów ruchu, w tym przede wszystkim rodzaj energii

wykorzystywanej w napędach oraz charakterystyka napędu.

W grupie robotów stacjonarnych o strukturach równoległych głównym wyróżnikiem

podziału jest liczba ramion (gałęzi) tworzących zamknięty łańcuch kinematyczny. Spotykane
są rozwiązania z trzema ramionami - tripody i sześcioma ramionami – hexapody.

Ze względu na rozwiązania kinematyczne roboty mobilne można podzielić na: roboty

przemieszczające się po stałym torze jezdnym i autonomiczne roboty mobilne (czasem zwane
też r obocarami), które mogą poruszać się samodzielnie po hali fabrycznej.

Na rys. 3 pokazano układy kinematyczne robotów poruszających się po sztywnym torze

jezdnym. Istotą budowy robotów mobilnych przemieszczających się po sztywnym torze
jezdnym jest połączenie zrobotyzowanej jednostki transportowej (robot transportowy) z
odpowiednim robotem stacjonarnym.

Układy kinematyczne autonomicznych robotów mobilnych (rys. 4) dzieli się obecnie na

trzy grupy: mogące poruszać się wyłącznie do przodu, jeżdżące w przód i w tył oraz jeżdżące
wzdłuż i w poprzek w każdą ze stron.

Rys. 3. Układy kinematyczne robotów poruszających się po sztywnym torze jezdnym: a)

robot zainstalowany na wózku szynowym, b) mobilny robot bramowy

Rys. 4. Układy kinematyczne autonomicznych robotów mobilnych: a) robot poruszający się

wyłącznie do przodu, b) robot jeżdżący w przód i w tył, c) robot jeżdżący wzdłuż i w poprzek

w każdą ze stron

2.3. Klasyfikacja robotów ze względu na sterowanie

Ze względu na sterowanie roboty klasyfikuje się na klasy, przy czym wyróżnikiem

klasy jest rodzaj i możliwości sterowania pracą robota. Wyróżnia się cztery podstawowe klasy
robotów przemysłowych:

1)  Robot sekwencyjny. Jest to robot wyposażony w sekwencyjny (wykonujący kolejno
zaprogramowane ruchy i czynności) układ sterowania.
2)  Robot  realizujący  zadane  trajektorie.  Jest  to  robot,  który  realizuje  ustaloną
procedurę  sterowanych  ruchów  według  instrukcji  programowych  specyfikujących
żądane pozycje oraz żądaną prędkość ruchu.

3)  Robot adaptacyjny. Jest to robot mający sensoryczny lub adaptacyjny bądź uczący
się  układ  sterowania.  Przykładami  takich  układów  są  układy  o  możliwościach  zmiany
własności  dzięki  wykorzystaniu  informacji  sensorycznych  lub  nagromadzonych
doświadczeń,  planowania  zadań  lub  przez  nauczanie  i  trening.  Typowym  przykładem
jest tutaj robot wyposażony w czujniki wizyjne, przez co jest możliwa korekta ruchów
podczas pobierania elementów, montażu lub spawania łukowego.
4)  Teleoperator. Jest to robot ze sterowaniem zdalnym, realizowanym przez operatora
lub  komputer.  Jego  funkcje  są  związane  z  przenoszeniem  na  odległość  funkcji
motorycznych  i  sensorycznych  operatora.  Wyłącza  się  z  tej  klasy  manipulatory  o
połączeniach mechanicznych.
Ze  względu  na  sposób  programowania  i  możliwości  komunikowania  się  robota  ze

środowiskiem zewnętrznym (otoczeniem) można podzielić roboty na trzy generacje:

I - roboty nauczane,
II roboty uczące się,
III - roboty inteligentne.
Te zagadnienia omówiono poprzednio.

2. 4. Klasyfikacja robotów ze względu na liczbę stopni swobody i rodzaj napędu

Współczesne roboty przemysłowe mają dużą liczbę stopni swobody (z reguły 5-7):

każdemu  z  tych  stopni,  tzn.  każdej  parze  kinematycznej,  odpowiada  oddzielny  zespół
napędowy.  Aby  zrealizować  konkretną  operację  technologiczną  lub  manipulacyjną,  należy
sterować  grupą  elementów  wykonawczych.  W  zależności  od  rodzaju  energii  potrzebnej  do
wprawiania  w  ruch  mechanizmów  robota  rozróżnia  się  napędy:  pneumatyczne,  hydrauliczne
(precyzyjniej  elektrohydrauliczne)  i  elektryczne,  których  uproszczoną  klasyfikację  pokazano
na rys. 1.3.5.

Rys. 3.5. Klasyfikacja robotów ze względu na rodzaj stosowanego napędu

Obecnie większość robotów jest wyposażona w napędy elektryczne i tylko w

nielicznych

robotach

przemysłowych

jest

stosowany

napęd

pneumatyczny

lub

hydrauliczny. Należy podkreślić, że napędy elektryczne charakteryzują się stosunkowo dużą