UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

1

PODSTAWY AUTOMATYKI

PODSTAWY AUTOMATYKI

Prowadzący

Prowadzący

:

:

dr ing. Sebastian

dr ing. Sebastian

Kula

Kula

e-mail: [e-mail]

e-mail: [e-mail]

Uniwersytet Kazimierza Wielkiego w

Bydgoszczy

wykład V

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

2

zajęcia realizowane są w ramach

projektu pt. “Mechatronika

kierunkiem przyszłości –

dostosowanie oferty edukacyjnej

Uniwersytetu Kazimierza

Wielkiego do potrzeb rynku

pracy”, Działanie 4.1.1, Programu

Operacyjnego Kapitał Ludzki,

współfinansowanego ze środków

Europejskiego Funduszu

Społecznego”.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

3

Plan wykładu

•Konstrukcje robotów.

•Chwytaki robotów.

•Sensoryka robotów.

•Kinematyka robotów.

•Dynamika robotów.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

4

Konstrukcje robotów(1)

Robot jest to urządzenie przeznaczone do

realizacji niektórych funkcji manipulacyjnych i

lokomocyjnych człowieka, posiadające określony

poziom energetyczny, informacyjny i inteligencji

maszynowej. Diagram blokowy robota został

przedstawiony na rysunku poniżej.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

5

Konstrukcje robotów(2)

Robot składa się najczęściej z następujących układów:
• Aktora - służy jako muskuł systemu, wytwarza ruch za

pomocą energii elektrycznej, pneumatycznej lub

hydraulicznej.
• Komunikatora - jednostka przesyłająca informację i

otrzymująca instrukcje od oddalonego operatora.
• Efektora końcowego - urządzenie chwytające na

końcu

ramienia

manipulatora;

używane

do

dokonywania zamierzonego styku z obiektem lub do

wytwarzania finalnego efektu robota na jego otoczeniu.
• Manipulatora - mechanizm zawierający kilka

segmentów lub ramion.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

6

• Zasilacza energii - ogólnie urządzenia

magazynujące energię, takie jak akumulatory

dla jednostki mobilnej; także elektroniczne

urządzenie zasilające.

•

Sensorów

-

zwykle

jakiegoś

rodzaju

przetwornik, którego wejściami są zjawiska

fizykalne a wyjściami sygnały elektroniczne.

Konstrukcje robotów(3)

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

7

Konstrukcje robotów(4)

Układy robota.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

8

Konstrukcje robotów(5)

Konfiguracje

robotów

ze

względu

na

własności

geometryczne:
Robot kartezjański. Robot porusza się wzdłuż trzech

podstawowych osi posuwistych x

0

, y

0

i z

0

.

Robot cylindryczny. Możliwości ruchowe manipulatora są

określone przez współrzędne cylindryczne ( r,θ , z ).
Robot sferyczny. Możliwości ruchowe manipulatora określają

współrzędne sferyczne ( r,θ ,φ ).
Robot obrotowy. Manipulator antropomorficzny.
Robot SCARA. Możliwości ruchowe manipulatora sprowadzają

się do ruchów obrotowych ograniczonych do płaszczyzny

poziomej i do przesuwania jej.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

9

Konstrukcje robotów(6)

Konfiguracja kartezjańska (PPP) i jego główna

przestrzeń robocza.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

10

Konfiguracja cylindryczna (OPP) i jego główna

przestrzeń robocza.

Konstrukcje robotów(7)

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

11

Konfiguracja antropomorficzna (OOO) i jego

główna przestrzeń robocza.

Konstrukcje robotów(8)

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

12

Konstrukcje robotów(9)

Konfiguracja sferyczna (OOP) i jego główna

przestrzeń robocza.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

13

Konstrukcje robotów(10)

Konfiguracja SCARA (OOP) i jego główna

przestrzeń robocza.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

14

Konstrukcje robotów(11)

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

15

Chwytaki robotów(1)

Chwytak, zwany również efektorem uważa się za

jeden z najważniejszych elementów manipulatora.

Chwytak jest końcówką roboczą manipulatora.

Zadania chwytaka:
- uchwycenie manipulowanego przedmiotu z

zapewnieniem mu właściwej orientacji

- utrzymanie przedmiotu pomimo działających sił

zewnętrznych i przyspieszeń transportowych

- pozostawienie przedmiotu we właściwej orientacji

w miejscu przeznaczenia

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

16

Chwytaki robotów(2)

Podział chwytaków ze względu na budowę:

napędu
- mechaniczny
- pneumatyczny
- hydrauliczny
układu przeniesienia napędu
- nożycowy
- szczypcowy
- imadłowy
- opasujący

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

17

Chwytaki robotów(3)

Chwytak nożycowy.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

18

Chwytaki robotów(4)

Chwytak szczypcowy.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

19

Chwytaki robotów(5)

Chwytak imadłowy.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

20

Chwytaki robotów(6)

Chwytak opasujący.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

21

Chwytaki robotów(7)

Chwytaki dzielimy również na:

- dwuszczękowe
- trójszczękowe
- wieloszczękowe

z końcówkami:

- sztywnymi
- sprężystymi
- elastycznymi
-

przyssawkowymi

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

22

Chwytak ze sztywnymi końcówkami.

Chwytaki robotów(8)

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

23

Chwytak ze sprężystymi końcówkami. a) stan

spoczynku, b) chwytak rozwarty, c) uchwycenie

obiektu, 1 – końcówki sprężyste, 2 – rozpora

końcówek, 3 – siłownik, 4 – tłok, 5 – obiekt

Chwytaki robotów(9)

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

24

Chwytaki robotów(10)

Chwytak z elastycznymi końcówkami.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

25

Chwytaki robotów(11)

Chwytak z przyssawkowymi końcówkami.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

26

Chwytaki robotów(12)

Ze względu na sposób trzymania detalu

chwytaki dzielimy na:

- kształtowe
- siłowe
- siłowo-kształtowe

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

27

Chwytaki robotów(13)

Chwytanie kształtowe polega na tym, że elementy

chwytne

swoim

kształtem

pozbawiają

obiekt

manipulacji swobody ruchu względem chwytaka.
Do wyprodukowania końcówek chwytnych o kształcie
odpowiadającym kształtowi powierzchni chwytanego
obiektu można posłużyć się różnymi metodami.
Można wykonać formę z wybranego fragmentu
obiektu manipulacji metodą odlewania, np. z
płynnego polimeru. Odlaną formę można użyć po jej
stwardnieniu jak nakładkę na końcówkę chwytną.
Inna metoda to skorzystanie z dostępnego modelu
CAD obiektu.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

28

Chwytaki robotów(14)

Chwytak kształtowy.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

29

Chwytaki robotów(15)

Chwytaki siłowe podczas chwytania działają

na obiekt manipulacji siłami w stronę

powierzchni obiektu albo przeciwnie - od

obiektu w kierunku chwytania. W pierwszym

przypadku, charakterystycznym dla chwytania

dwiema przeciwległymi końcówkami, na obiekt

działają dwie równe, co do wartości, przeciwnie

skierowane siły. Na powierzchni obiektu

powstają

naprężenia,

a

w

czasie

manipulowania obiektem pojawia się siła tarcia

statycznego,

przeciwdziałająca

przemieszczaniu

się

obiektu

względem

chwytaka.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

30

Chwytaki robotów(16)

Chwytak siłowy.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

31

Chwytaki robotów(17)

Chwytak siłowo-kształtowy.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

32

Sensoryka robotów(1)

Sensor (czujnik) to urządzenie dostarczające

informacji o pojawieniu się określonego bodźca,

przekroczeniu pewnej wartości progowej lub o

wartości rejestrowanej wielkości fizycznej. W tym

ujęciu układ czujnika składa się z: czujnika,

przetwornika oraz często układu telemetrycznego

Najczęściej spotykanymi czujnikami są czujniki

dostarczające informację w jednej z wielkości

elektrycznych, takich jak: napięcie, natężenie

prądu, opór elektryczny. Przyczyną tego jest fakt,

że prąd elektryczny to sygnał, który łatwo

wzmocnić, przesłać na duże odległości, poddać

dalszemu przetwarzaniu przy użyciu technik

cyfrowych i komputerów, a także zachować.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

33

Sensoryka robotów(2)

Sensoryka robota może służyć do:

- podwyższenia bezpieczeństwa
- zapewnienia wymaganej jakości
- zwiększenia wydajności
-

kompensowania

niedokładności

pozycjonowania
- zwiększenia elastyczności sterowania
- uproszczenia programowania
- zastępowania ręcznych korekcji programu
- częściowego zastępowania programowania

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

34

Sensoryka robotów(3)

Dwa typy sensorów muszą być użyte w

każdym rodzaju układu robotyki:

-

proprioreceptory

służące

do

pomiaru

wewnętrznych parametrów robota (głównie

położeniowych).

-

eksteroceptory

służące

do

pomiaru

parametrów środowiskowych (zewnętrznych z

punktu widzenia robota)

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

35

Sensoryka robotów(4)

Czujniki uzywane w robotach
• Czujniki rezystancyjne:

potencjometry,

fotokomórki

rezystancyjne,

czujniki

naprężeń, itd.

• Czujniki dotykowe:

przełączniki stykowe

• Czujniki na podczerwień:

pasywne (wykrywające źródło światła podczerwonego),

aktywne (pomiar swiatla odbitego),
czujniki odległości, itd.

• Czujniki wizyjne

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

36

Sensoryka robotów(5)

• Ultradźwiękowe

czujniki odległości

• Czujniki obrotów
• Czujniki inercyjne (do pomiaru drugiej pochodnej

położenia czyli przyspieszenia)
Akcelerometry, żyroskopy

• Czujniki orientacji
Kompas, inklinometr (pomiar kata wychylenia od

pionu wyznaczonego przez siłę grawitacji ziemskiej)

• Laserowe czujniki odległości
• Systemy pozycyjne jak GPS,

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

37

Sensoryka robotów(6)

Przykłady zastosowania czujnika dotykowego:

• do wykrywania, ze robot zetknal sie z innym

obiektem np. ściana, przeszkoda

• do wykrywania zetknięcia się wewnętrznych

ruchomych części robota, np. ramie robota, chwytak

• czujnik podłoża - do wykrywania kontaktu robota z

podłożem aby robot nie wykroczył poza stół

• przełącznik wejściowy - klawisz, sterowanie

zewnętrzne

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

38

Kinematyka robotów(1)

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

39

Kinematyka robotów(2)

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

40

W kinematyce prostej określa się pozycję i

orientację końcówki roboczej w zależności od

zmiennych

konfiguracyjnych

względem

globalnego układu współrzędnych. Natomiast

kinematyka odwrotna polega na znalezieniu

wszystkich

zbiorów

zmiennych

konfiguracyjnych w zależności od pozycji i

orientacji końcówki roboczej. W ogólnym

przypadku jest ono trudniejsze niż zadanie

kinematyki prostej ponieważ czasami nie

istnieje jednoznaczne rozwiązanie wynikające z

nieliniowości równań kinematyki.

Kinematyka robotów(3)

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

41

Dynamika robotów(1)

W dynamice rozpatruje się równania ruchu, które

opisują ruch manipulatora związanego z siłami i

momentami napędowymi lub siłami zewnętrznymi

przyłożonymi do manipulatora.
W analizie dynamiki manipulatorów rozpatruje się

dwa zadania. W zadaniu prostym dynamiki dane są

punkty trajektorii ruchu, prędkości oraz przyspiesze-

nia, a wyznacza się wektory sił i momentów

napędowych t. Takie zadanie występuje przy

sterowaniu ruchem manipulatora. Zadanie odwrotne

dynamiki polega na wyznaczeniu ruchu manipulatora

będącego

pod

działaniem

sił

i

momentów

napędowych, tzn. dany jest wektor t, a należy

wyznaczyć położenie, prędkości i przyspieszenia.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

42

Dynamika robotów(2)

Dynamiczne właściwości manipulatora są

wyrażone jako zmiany położenia w czasie w

zależności od sił i momentów napędowych.

Zależności te mogą być opisane przez układ

równań różniczkowych ruchu. W tym celu

stosuje się różne formalizmy matematyczne

jednym z nich jest metoda Lagrange'a.

Otrzymane tą metodą równania opisują

właściwości dynamiczne układu w zależności

od

energii

kinetycznej

i

potencjalnej,

wyrażonych

w

funkcji

współrzędnych

konfiguracyjnych.

UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

43

•Thank you !

•Vielen Dank !

•Cпасибо !

•Dziękuje !