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.