1

PODSTAWY ROBOTYKI

JW 3.4-3.6

2

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,

3

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.

4

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.

5

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

6

pośrednictwem sześciu kończyn, gdzie każda para kończyn tworzy trójkąt równoboczny.
Zmianę położenia platformy roboczej uzyskuje się poprzez obracanie sześcioma nakrętkami,
a więc zamiana ruchu obrotowego na postępowy powoduje przemieszczanie się punktów
podparcia wspornika wzdłuż osi śruby.

Rys. 36. Prototyp platformy Stewarta-Gougha

4.2.2. Manipulator równoległy o strukturze POLMAN

Ogólną koncepcję dźwigniowego mechanizmu przestrzennego wykorzystanego w

konstrukcji manipulatora POLMAN pokazano na rys. 37.

Rys. 37. Koncepcja ogólna manipulatora równoległego POLMAN-3-3

7

Konstrukcja manipulatora ma kształt dźwigniowego mechanizmu przestrzennego o

stałych długościach elementów ruchomych i sześciu zmiennych współrzędnych: liniowych l

1

,

l

2

i l

3

i kątowych φ

1

, φ

2

i φ

3

, 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

1

, l

2

i l

3

ulokowanych na podstawie. Zmiany

współrzędnych l

i

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

i

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

1

, φ

2

i φ

3

.

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

wózkach l

i

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

8

Ruchy obrotowe elementów wejściowych mechanizmów równoległowodowych φ

i

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

9

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

10

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.

11

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.

12

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

13

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

14

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

15

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

1

i V

2

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

16

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

17

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

sterowania

Tablica 1. Możliwości ruchowe robota z kołami typu Mecanum

18

Innym rozwiązaniem jest przedstawiony na rys. 50 indukcyjny automatycznie

kierowany robot mobilny z zamocowanym manipulatorem przegubowym. Wtedy pojazdy
takie mogą być używane do przewożenia oraz do załadunku i wyładunku pojedynczych
części. Rozwiązanie to umożliwia również zmniejszenie zapasów części przy stacjach
obróbkowych w zautomatyzowanych procesach wytwarzania.

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.

19

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
organizować, rozszerzać i modyfikować trasy przejazdu, wpływając na elastyczność i
niezawodność całego systemu. Do nielicznych wad tego sposobu elastycznej automatyzacji
operacji transportowych zalicza się zwiększenie technologicznej powierzchni, związanej z
zabudową i oprzyrządowaniem dróg transportowych.

Literatura
Honczarenko J.: Roboty przemysłowe. Budowa i zastosowanie. WNT Warszawa, 2004.