Materiały do testu

W1 Rozwój idei robotów i robotyki, przegląd zastosowao robotów
Robotyka w literaturze:
a)Karel Capek,
RUR jest 1920 dramat science fiction. Akcja rozgrywa się w fabryce. Występują w niej istoty sztuczne(cyborgi androidy, klony które
mogą myśled za siebie) wprowadzenie nazwy ROBOT
b)Izaak Asimov,
napisał cykl książek ROBOT. użycie pierwszy raz słowa robotyka opracował także trzy prawa robotyki - które stały się inspiracją nie
tylko dla pisarzy, ale i naukowców.
- prawo nadrzędne (zerowe) robot nie może skrzywdzid ludzkości, ani przez zaniechanie działania doprowadzid do uszczerbku dla ludzkości.
- prawo pierwsze: robot nie może skrzywdzid człowieka, ani przez zaniechanie działania dopuścid, aby człowiek doznał krzywdy.
- prawo drugie: robot musi byd posłuszny rozkazom człowieka, chyba że stoją one w sprzeczności z pierwszym prawem.
- prawo trzecie: robot musi chronid sam siebie, jeśli tylko nie stoi to w sprzeczności z pierwszym lub drugim prawem.
c)Mary Shelly.
Frankenstein albo: Współczesny Prometeusz (1818) prekursorką literatury fantastyczno-naukowej.
Inżynierowie i wynalazcy:
a)Jacques de Vaucanson,
XVIII w- automaty "Flecista"; "Graca na tamburynie" "Kaczka"
b) Joseph Jacquard,
przełom XVII i XVIII- maszynę do wiązania sieci
1805- udoskonalenie krosna; skonstruowanie nowego urządzenia przesmykowego- maszyna Jacquarda
(Żakarda), do wielobarwnego tkania wielowzorzystego.Było to pierwsze programowe sterowanie
w dziejach techniki.
c)Henri Maillardet,
XVIII- seria automatów przedstawiających magów
d) George Devol.
1954 amerykaoski wynalazca , który otrzymał patent na Unimate , pierwszego robota
przemysłowego . Patent Devol za pierwszy obsługiwany cyfrowo programowanym ramienia
robota stanowiła fundament nowoczesnego przemysłu robotyki
pierwszy wynalazek automatyczne drzwi
Współczesne zastosowania robotów.
�� W przemyśle (roboty zgrzewające, spawające (łukowo, punktowo, laserowo, montażowe, do malowania natryskowego, itp.). Spawanie za pomocą
robota.
�� W transporcie przenoszenie materiałów, załadunek i rozładunek,
�� Badania podwodne i kosmiczne,
�� Naprawa satelitów,
�� Rozbrajanie urządzeo wybuchowych,
�� roboty do owijania palet (owijarki),
�� paletyzujące i depaletyzujące,
�� w medycynie protezy kooczyn to roboty,
�� roboty czyszczące
Daty
1954 zaprojektowanie pierwszego programowalnego robota Unimate przez George a Devola
1963 opracowanie pierwszego systemu wizyjnego do robota
1966 Stanford ResearchInstitute demonstruje Shakeya, pierwszego robota potrafiącego się przemieszczad, posługiwad procesami myślowymi, korzystając z
prostych mechanizmów przetwarzania obrazów i sztucznej inteligencji;
1970-1973 Pierwszy robot humanoidalny (człekokształtny)), nazwany WABOT-1 porusza rękami i nogami, a także posługuje się prostymi systemami wzrokowymi
i słuchowymi; opracowanie pierwszego języka programowania robotów (WAVE). Robot ma 25 stopni swobody;
1978 Firma Unimation Inc.wprowadza robot PUMA
1996 Firma Honda zaprezentowała, chodzącego robota humanoidalnego P2, (protoplastę robota Asimo);
1999 Humanoidalny robot DB, wspólne dzieło firmy Sacrosi laboratorium ATR, uczy się żonglowad i naśladowad ludzkie ruchy;
2003 Firma Sony prezentuje rozrywkowego robota, humanoidalnego QRIO, który umie chodzidi taoczyd, a także rozpoznaje glosy i sam potrafi mówid
2008 Kanada zbudowała robot nazwany Dextre, który został umieszczony na zewnątrz Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Ma on pomagad astronautom
podczas spacerów kosmicznych; będzie też przenosił ładunki i dokonywał prac remontowych czy budowlanych na zewnątrz stacji.
W2 Roboty humanoidalne, interakcja robotów i ludzi
Historia robotów humanoidanych:
al-Jazari,
- pierwszy prymitywny robot przypominający wyglądem człowieka - było to 4 automatycznych muzyków umieszczonych w mechanicznej łodzi, pływającej po
wodzie. Wynalazek miał zabawiad gości podczas przyjęd królewskich.
Leonardo da Vinci,
-urządzenie mechaniczne-rycerz w zbroi. Mechanizmy ukryte w jego wnętrzu sprawiały, że mechaniczny rycerz poruszał się - wyglądało to tak jakby wewnątrz
siedziała żywa osoba.
- urządzenie "robot Leonarda", wykonujące określone czynności, takie jak zamykanie i otwieranie drzwi, witanie wchodzących itp. Urządzenia takie budowano do
zabawiania władców.
Juanelo Turiano,
-zbudował Cristalino , zegar astronomiczny;
- Artificio de Juanelo , silnik, który miał za zadanie "transportowad" wodę z rzeki do miasta
-"Mechaniczna modlitwa" automat reprezentujący mnicha;
- automat pani grająca na lutni
Pierre Jaquet Droz,
- wynalazca nowoczesnych zegarków na rękę
- trzy automaty lalki, każda z unikatową funkcją. Jedna potrafiła pisad, kolejna grała melodię, a trzecia rysowała obrazki.
Joseph Faber,
-1840 - zaprojektowanie automatu mówiacego "Euphoria" ; automat potrafił wypowiedzied każdą kombinację słów i głosek w każdym języku
Joseph Barnett.
-1939r stworzył robota o nazwie Electro. Potrafił on samodzielnie chodzid, rozmawiad, palid papierosy oraz wybierad kolory. Ma także psa - robota o nazwie
Sparko.
Funkcjonowanie w świecie ludzi,
-roboty przemysłowe- manipulacja przedmiotami o dużej wadze. ABB, Kawasaki, KUKA, Mitsubishi, FANUC Robotics.
-roboty w służbie prawa- rozbrajanie bomb (Mini-Andros). Papero -tłumacz na lotnisku Narita pod Tokio. Artemis to robot patrolujący japooskie centrum
handlowe i wszczynający alarm .Bear to robot sanitariusz do celów militarnych.
-roboty zwiadowcy eksploracja środowisk z jakichś powodów niedostępnych dla człowieka- praca pod wodą; operowanie w środowiskach o silnej radiacji
(Robug III); eksploracja kosmosu Sojourner, Spirit oraz Opportunity
-roboty w rozrywce interaktywny pluszowy Furby'ie, humanoidalny Robosapien oraz przypominający szczeniaka, wyposażony w zmysły wzroku, słuchu, dotyku i
równowagi Aibo.
-roboty w nauce roboty humanoidalne Hondę ASIMO, oraz Sony QRIO.
-roboty w gospodarstwie domowym roboty pomagające w pracach domowych - odkurzanie; zmywanie podłóg czyszczenie rur, basenów, koszenie trawy, mycie.
DARPA Robotics Challenge.
konkurs, którego celem wyłonienie jest robota mającego najbardziej przysłużyd się ludzkości podczas różnego rodzaju katastrof. Trzęsienia ziemi, epidemie,
klęski żywiołowe wszędzie tam, gdzie życie służb ratowniczych będzie zagrożone do akcji będą miały wkroczyd owe roboty.
Konstrukcje:
a)HRPx,
Robot HRP-4C humanoidalny robot stworzony przez Advanced Industrial Science and Technology, Mierzący 158 cm o wadze 43 kg (włączając w to baterie).
Robot potrafi syntezowad mowę oraz rozpoznawad głos.
b)Nao,
humanoidalny robot, towarzysz, asystent oraz platforma badawcza. Zaprojektowany do celów akademickich w zróżnicowanych przedmiotach kształcenia, od
interakcji robota z człowiekiem i obróbki sygnału do pracy nad sztuczną inteligencją, kontroli ramion i chwytania. Z 25 stopniami swobody Nao jest zdolny do
wykonywania szerokiego zakresu ruchów (chodzenie, siedzenie, wstawanie, taniec, unikanie przeszkód, kopanie, wykrywanie przedmiotów, itp).
roboty używane do badao naukowych,
a)Asimo (Honda),
- humanoidalny Stworzony Honda. ASIMO jest jedenastym udanym modelem dwunożnego robota. Uważany jest za jeden z najbardziej rozwiniętych technicznie
chodzących robotów na świecie. Projekt rozwijał się od roku 1986 gdzie stworzono pierwszy model E0. ASIMO jest stworzony tak aby mógł chodzid do przodu, do
tyłu, w bok, biegad, omijad przeszkody, zawracad i wchodzid w interakcję z otoczeniem. Celem producenta jest stworzenie robota, który będzie pomocny w
codziennym życiu człowieka.
b)Justin (DLR),
-Humanoid, potrafi złapad w locie nawet dwie piłeczki, które lecą w jego stronę. W jego ręce zostały wbudowane bardzo wrażliwe czujniki, dzięki którym potrafi
wyczuwad delikatne przedmioty. Na jednym z pokazów zaprezentował umiejętnośd robienia kawy w plastikowym kubeczku.
c)Nexi (MIT),
-humanoidalny robot potrafiący wyrażad uczucia. Jego zaawansowana twarz może wyrażad radośd, smutek, irytację, zaskoczenie, oraz inne stany. Jego ręce z
pięcioma palcami potrafią podnosid ciężar do 4,5kg. Odbiera sygnały z otoczenia za pomocą kamer CCD w oczach, oraz kamery na podczerwieo.
kooczyny bioniczne,
- to protezy kooczyn, sterowane za pomocą impulsów przekazywanych z mózgu do mięśni. Taką protezą pacjent może sterowad za pomocą swoich myśli. Jest to
najlepsze odzwierciedlenie prawdziwej kooczyny pod względem ruchów i sterowania.
Interakcja z ludzmi: reakcja na polecenia, gesty, komendy głosowe.
Wiele robotów takich jak Nexi , czy też ASIMO wchodzi w bezpośrednia interakcję z ludzmi. Potrafią rozpoznad i zrozumied mowę ludzką, a także odkodowad ich
gesty i zareagowad w odpowiedni sposób.
W3 Roboty przemysłowe
Historia współczesnych robotów przemysłowych:
George Devol, Joseph Engelberger,
-pierwsze ramię robota przemysłowego - Unimate. Zostało zbudowane przez firmę Unimation założoną przez G.C. Devola i J.S.Engelbergera. Manipulator
przemysłowy został zaprojektowany do wykonywania powtarzalnych i niebezpiecznych zadao na linii produkcyjnej General Motors.
-Joseph Engelberger zakłada firmę Transition Robotics (pózniej znana jako Helpmates), która zajmuje się rozwojem i budową robotów usługowych.
Viktor Sheinmann.
-ramię robotyczne Stanford Arm (manipulator standfordzki). Projekt ramienia staje się standardem i do dzisiejszych czasów ma wpływ na projekty tego typu
ramion robotów.
-PUMA-Programmable Universal Machine for Assembly
Konstrukcje:
Unimate,
Stanford Arm
UNIMATE- pierwszy robot przemysłowy. Manipulator
Stanford Arm - sześcioosiowy robot przegubowy, którego
przemysłowy został zaprojektowany do wykonywania powtarzalnych
wszystkie osie były napędzane elektrycznie.
i niebezpiecznych zadao na linii produkcyjnej General Motors.
Projekt ramienia staje się standardem i do dzisiejszych
czasów ma wpływ na projekty tego typu ramion
robotów. Stanford Arm dzięki możliwości wykonywania
dowolnych ruchów w przestrzeni roboczej,
rozszerzył potencjalne zastosowanie ówczesnych robotów o
prace bardziej wyrafinowane, takie jak
zadania montażowe lub spawanie
SCARA
PUMA,
Roboty z trzema osiami równoległymi - dwoma o ruchu
PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly).
obrotowym i jedną o ruchu postępowym.
Przeznaczony głównie do zadao montażowych. Napędzany elektrycznie.
Głównym przeznaczeniem jest montaż elementów i
Produkowany przez UNIMATION.
podzespołów oraz powtarzalne przenoszenie detali
i ich sortowanie (np. paletyzacja produktów). Strukturę tę
wykorzystuje się także do tworzenia obwodów
drukowanych w elektronice.
Typowe zastosowania
Roboty spawalnicze- roboty wykorzystywane do spawania, zgrzewania, lutowania, wykorzystywanych najczęściej w przemyśle samochodowym i elektronicznym.
Roboty malarskie- Powtarzalnośd i szybkośd pracy robotów pozwala uzyskad prawie doskonałe pokrycie malowanego materiału. Dodatkowym powodem
stosowania robotów przy malowaniu natryskowym jest eliminacja szkodliwości stosowanych substancji dla człowieka. Robot PX1850 (MOTOMAN)
Roboty montażowe- procesowi montażu mogą podlegad różnego rodzaju operacje technologiczne, od mało skomplikowanych (np. zakręcanie nakrętki na
śrubie) do bardzo skomplikowanych (operacje montażu układów elektronicznych).
Roboty do przenoszenia materiałów i załadunku palet-redukcja kosztów związana z zatrudnianiem wykwalifikowanych pracowników do obsługi urządzeo
transportowych, ale także ulepszenie bezpieczeostwo pracy. Innym bardzo ważnym celem tego typu robotów jest zastąpienie człowieka w wykonywaniu
monotonnych operacji takich jak np. układanie, sortowanie.
Roboty stosowane do obróbki materiałów-Obecnie można spotkad roboty wykorzystywane do operacji obróbki materiałów, może to byd obróbka skrawaniem
jednak wraz z rozwojem nowych gałęzi przemysłu i rozwojem nowych metod wytwarzania doskonałym przykładem może byd zastosowanie robotów do cięcia
przy pomocy wody pod wysokim ciśnieniem. Pionierem tej metody obróbki był dr Norman C.Franc w roku 1960.
W4 Podstawowe pojęcia z kinematyki i dynamiki robotów, cz.1
Opis kinematyki robota:
a) wybór zestawu parametrów konfiguracyjnych,
Reprezentacja lokalizacji (pozycji i orientacji) koocówki manipulatora w układzie podstawowym (odniesienia)
Macierz transformacji z układu i-1 do układu i 5�4�5�V� = 5�4�5�V� (5�^�5�V�) " 5�F�5�8�
5�V�-1 5�V�-1
5�[�
Kinematyka wyraża się wzorem 5�>� 5�^� = 5�4�5�[� 5�^� = 5�4�1 5�^�1 5�4�5�[� 5�^�2 & & . 5�4�5�[� 5�^�5�[�-1
0 2 5�[�-1
gdzie:
konfiguracja 5�^� = [5�^�1 & & & . 5�^�5�[�]5�G�
b)współrzędne uogólnione,
Współrzędne uogólnione ( kinematyczne , konfiguracyjne ) stosuje się do określania położeo manipulatora. Jeżeli manipulator
zbudowany jest z par klasy piątej to współrzędne uogólnione są kątami obrotu ( względnie przesuwami ) w poszczególnych węzłac h.
Wektor współrzędnych uogólnionych zapisujemy jako
q(t) = [q1(t) q2(t) q3(t) ... qn(t) ]T
PRZYKAAD Liczba współrzędnych niezależnych to liczba stopni swobody. Dla
powyższego układu są to kąty 5��1 5�\�5�_�5�N�5�g� 5��2, które nie są od siebie zależne-
są to współrzędne uogólnione.
5�e�1 = 5�S�1(5��1, 5��2)
5�e�2 = 5�S�2 5��1, 5��2
5�e�3 = 5�S�3 5��1, 5��2
5�e�4 = 5�S�4 5��1, 5��2
wtedy
5�e�1 = 5�Y�15�`�5�V�5�[�5��1
5�f�1 = 5�Y�15�P�5�\�5�`�5��1
5�e�2 = 5�Y�15�`�5�V�5�[�5��1 + 5�Y�25�`�5�V�5�[�a + 5��2)
(5��1
5�f�2 = 5�Y�15�P�5�\�5�`�5��1 + 5�Y�25�P�5�\�5�`�a + 5��2)
(5��1
opis punktu w przestrzeni,
Tor punktu- linia ciągła, która jest miejscem geometrycznym kolejnych położeo punktu ruchomego w przestrzeni. Tor jest zawsze związany z układem
odniesienia. Może byd krzywą płaską lub krzywą przestrzenną.
Sposoby opisu punktu:
- opisany promieniem- wektorem
postad wektorowa równania 5�_� = 5�_�(5�a�)
postad sumy wektorowej 5�_� = 5�V�5�e� 5�a� + 5�W�5�f� 5�a� + 5�X�5�g�(5�a�)
równania składowe 5�_�5�e� = 5�e�(5�a�)
5�_�5�g� = 5�g�(5�a�)
5�_�5�f� = 5�f�(5�a�)
-opisany współrzędnymi prostokątnymi
współrzędne x,y,z są funkcjami czasu
5�e� = 5�S�1 5�a�
5�f� = 5�S�2(5�a�)
5�g� = 5�S�3(5�a�)
-opisany współrzędną łukową 5�`� = 5�S�(5�a�)
-opisany współrzędnymi krzywoliniowymi
współrzędne biegunowe na płaszczyznie 5�_� = 5�S�1(5�a�)
5�� = 5�S�2(5�a�)
współrzędne sferyczne 5�_� = 5�_�(5�a�)
5�� = 5��(5�a�)
5�� = 5��(5�a�)
współrzędne walcowate (cylindryczne) 5�g� = 5�S�1(5�a�)
5�� = 5�S�2(5�a�)
5�� = 5�S�3(5�a�)
opis ciała sztywnego w przestrzeni
Bryła sztywna (inaczej: ciało sztywne, ciało rozciągłe) - pojęcie używane w fizyce oznaczające ciało fizyczne, którego elementy (części, punkty materialne) nie
mogą się względem siebie przemieszczad. Jest to idealizacja ciał fizycznych, obiekty w których uwzględnia się możliwe zmiany położeo ich punktów względem
siebie, określa się mianem ośrodków ciągłych. Bryła sztywna w ogólnym przypadku posiada sześd stopni swobody.
5�_� 5�N� = 5�_� 5�N� (5�a�)
5�_� 5�O� = 5�_� 5�O�(5�a�)
5�_�5�P� = 5�_�5�P�(5�a�)
Sposoby opisu ciała sztywnego:
RUCH POSTPOWY
-wszystkie punkty ciała poruszają się po identycznych torach
- w każdej chwili posiadają takie same prędkości i przyspieszenia (wartośd, kierunek i zwrot).
-dla analizy ruchu postępowego wystarczy określenie ruchu jednego punktu ciała.
RUCH OBROTOWY
- dwa punkty sztywno związane z ciałem pozostają nieruchome wyznaczając nieruchomą oś obrotu ciała.
Równania
-ruchu 5�`� = 5�_�5��(5�a�)
5�Q�5�`� 5�Q�5��
-prędkośd liniowa 5�c� = = 5�_� = 5�_�5��(5�a�)
5�Q�5�a� 5�Q�5�a�
5�Q�5�� 25��5�[�
-prędkośd kątowa 5�� = =
5�Q�5�a� 60
5�Q�5�c� 5�Q�5��
-przyśpieszenie styczne 5�N�5�a� = = 5�_� = 5�_�5��5�a�
5�Q�5�a� 5�Q�5�a�
5�Q�5��
-przyśpieszenie kątowe 5�� =
5�Q�5�a�
5�c�2 (5��5�_� )2
-przyśpieszenie dośrodkowe 5�N�5�[� = = = 5��25�_�
5�_� 5�_�
-przyśpieszenie wypadkowe 5�N� = 5�_� 5��2 + 5��4
RUCH PAASKI RUCH KULISTY
Ruchem kulistym nazywamy ruch, w czasie którego jeden z punktów bryły jest
Analiza ruchu płaskiego sprowadza się do badania ruchu
stale nieruchomy. Ruch kulisty jest obrotem dookoła chwilowej osi obrotu (oś ta
jednego przekroju ciała, będącego figura płaską.
zmienia swoje położenie w czasie) 5�� = 5��(5�a�) 5�� = 5��(5�a�) 5�� = 5��(5�a�)
RUCH ŚRUBOWY
Znajdowanie takich punktów C, dla których w
każdej chwili czasu wektor C jest równoległy do
wektora , nazywamy sprowadzaniem ruchu
ogólnego bryły do ruchu śrubowego.
2
(5�� 5�c�0)
5�_�5�P�2 = + 5��5��
5��2
- dowolna wielkośd dodatnia lub ujemna
opis położenia robota we współrzędnych maszyny
x1, x2, x3 współrzędne danej pozycji ciała wyrażone w głównym
układzie
cos: x , y , z nowa współrzędna
cos: x, y, z pierwsza współrzędna
x, y, z położenie początku układu lokalnego w głównym układzie
xp1, xp2, xp3 współrzędne danej pozycji ciała w lokalnym układzie
Obrót wokół osi Z o kąt a zapisuje się jako: Obrót wokół osi Y o kąt b zapisuje się jako:
Obrót wokół osi X o kąt c zapisuje się jako: Przesunięcie o wektor WT zapisuje się jako:
stopieo redundancji konstrukcji,
Stopieo redundancji konstrukcji - jeśli konstrukcja posiada n stopni swobody, a trajektorie można zapisad za pomocą m funkcji
współrzędnych to różnicę n - m nazywamy stopniem redundancji konstrukcji względem określonej klasy trajektorii (m). Jeżeli n -
m>0 to konstrukcja jest redundantna. J eśli n = m to konstrukcja jest nieredundantna.
macierz rotacji,
5�[� = 5�[�5�e�5�V� + 5�[�5�f�5�W� + 5�[�5�g�5�W�
5�\� = 5�\�5�e�5�V� + 5�\�5�f�5�W� + 5�\�5�g�5�W�
5�N� = 5�N�5�e�5�V� + 5�N�5�f�5�W� + 5�N�5�g�5�W�
5�[�5�e� 5�\�5�e� 5�N�5�e� 5�[�5�G�5�V� 5�\�5�G�5�V� 5�N�5�G�5�V�
5�5�
5�E�5�4� = 5�[� 5�\� 5�N� = 5�[�5�f� 5�\�5�f� 5�N�5�f� = 5�[�5�G�5�W� 5�\�5�G�5�W� 5�N�5�G�5�W� " 5�E�3�3
5�[�5�g� 5�\�5�g� 5�N�5�g� 5�[�5�G�5�X� 5�\�5�G�5�X� 5�N�5�G�5�X�
wektor przesunięcia,
Wektor przesunięcia (inaczej wektor przemieszczenia), jest wektor łączący dwa różne położenia punktu materialnego - początek ma
tam gdzie punkt materialny znajdował się wcześniej, a koniec (grot) - tam gdzie dotarł pózniej.
macierz translacji,
Trzy przesunięcia mogą zostad zapisane jako jedna macierz, ponieważ różnią się tylko ostatnią kolumną.
a, b, c - przesunięcie wzdłuż osi X, Y oraz Z
interpretacja i zastosowanie macierzy translacji,
-ogólnie w grafice służą do transformacji wektorów/punktów
-przekształcenia
reprezentacja przesunięcia i obrotu w różnych układach współrzędnych (kartezjaoski, cylindryczny, sferyczny
WSPÓARZDNE CYLINDRYCZNE WSPÓARZDNE KARTEZJACSKIE
WSPÓARZDNE SFERYCZNE
formy zapisu obrotu (obrót wokół stałego układu współrzędnych, kąty Eulera, parametry Eulera),
obrót wokół stałego układu współrzędnych
Obrót wokół początku układu współrzędnych na płaszczyznie o kąt punktu
można opisad wzorem
analitycznym , gdzie
kąty Eulera
Przyjmujemy stały układ 0, x, y, z i w tym samym początku 0 ruchomy
0, x�, c�, z�.
Położenie układu ruchomego możemy określid za pomocą trzech
kątów, zwanych kątami Eulera (Rys. 3)
Kąty Eulera: 5�M�- precesji, 5�Q� - nutacji, 5�K� -obrotu
Równania ruchu kulistego:
y� =�y� (t), j� =� j�(t), u� =�u�(t)
parametry Eulera
macierz współrzędnych R w pewnej przyjętej bazie, w której q = *q1, q2, q3+
przekształcenie odwrotne,
Przekształcenie odwrotne pozwala wyrazid położenie i orientację układu współrzędnych odniesienia w układzie lokalnym, związanym z rozważanym członem
osobliwośd reprezentacji,
Może zdarzyd się także sytuacja w której rozwiązao będzie nieskooczenie wiele, bądz rozwiązanie nie będzie istnied w zbiorze liczb rzeczywistych. Takie sytuacje
mają miejsce w tzw. punktach osobliwych odwzorowania kinematyki.
opis przegubu o jednym stopniu swobody,
Podpora przegubowo-przesuwna - na podporze tej występuje jedna siła reakcji o znanym kierunku, prostopadłym do płaszczyzny
przesunięcia. Podpora ta odbiera ciału jeden stopieo swobody, gdyż eliminuje przesunięcie w jednym kierunku, a zezwala na
przesunięcie w drugim kierunku i swobodny obrót. Podporę tę można zastąpid jednym prętem. Na rysunku pokazano element
konstrukcyjny podparty w sposób przegubowo-przesuwny i idealizację tego podparcia w schemacie statycznym.
parametry Denavita-Hartenberga,
Notacja Denavita-Hartenberga wprowadzona została do robotyki w celu uproszczenia opisu "mechanicznych ramion". W uproszczeniu przedstawia ona sposób
na przejście od początku do kooca układu połączonych ze sobą obiektów (które mogą byd liniami prostymi, prostopadłościanami, itp.) W notacji Denavita-
Hartenberga są cztery parametry, ilośd parametrów wynika z dobrania położenia początku układu oraz jego osi i tak, oś z jest uprzywilejowana i opisuje ruch
przegubu natomiast oś x umożliwia odpowiednie ustawienie układów współrzędnych związanych z poszczególnymi członami. Oś y nie jest wykorzystywana w
opisanej notacji, a jej ustawienie jest wypadkową ustawienia osi z i x. Jedyne założenie związane z układem współrzędnych to przyjmowanie zawsze
prawoskrętnego układu współrzędnych.
Założenia:
1. ponumerowanie członów robota od 0 do n (podstawa robota to człon 0)ponumerowanie
2. robota od 1 do n, przy czym przegub i łączy człon i-1 z członem i.
3. zmienna przegubowa dla przegubu 1 jest oznaczona przez qi ; gdy przegub jest obrotowy to qi reprezentuje kąt, gdy przegub jest pryzmatyczny jest
to przemieszczenie
4. z każdym członem w sposób sztywny doczepia się układ współrzędnych. W podstawie dołącza się układ bazowy oznaczony numerem 0.
5. wybór układu od 1 do n w sposób taki iż układ i jest na sztywno związany z członem i. Oznacza to, iż przy ruchu robota współrzędne każdego punktu
członu i pozostają niezmienne.
6. założenie, że Ai jest macierzą przekształcenia jednorodnego, które transformuje współrzędne punktu z układu i do układu i-1. Macierz Ai nie posiada
stałych wartości, lecz zmienia się wraz ze zmianą konfiguracji robota w przestrzeni.
Dokonując założenia, że wszystkie przeguby są obrotowe lub pryzmatyczne oznacza to, iż Ai jest funkcją tylko jednej zmiennej qi.
5�4�5�V� = 5�E�5�\�5�a�5�g�,5��5�V�5�G�5�_�5�N�5�[�5�`�5�g�,5�Q�5�V�5�G�5�_�5�N�5�[�5�`�5�g�,5�N�5�V�5�E�5�\�5�a�5�g�,5��5�V�
Parametry:
5�N�5�V�- długośd członu
5��5�V�- skręcenie członu
5�Q�5�V�- odsunięcie przegubu
5��5�V�- kąt przegubu
Macierz Ai jest funkcją jednej zmiennej, wynika z tego, iż trzy z powyższych czterech wielkości są dla danego członu stałe, a czwarty parametr q�i dla przegubu
obrotowego i di dla przegubu pryzmatycznego jest wielkością zmienną.
W notacji Denavita-Hartenberga są cztery parametry, ilośd parametrów wynika z dobrania położenia początku układu oraz jego osi i tak, oś z jest
uprzywilejowana i opisuje ruch przegubu natomiast oś x umożliwia odpowiednie ustawienie układów współrzędnych związanych z poszczególnymi członami.
Oś y nie jest wykorzystywana w opisanej notacji, a jej ustawienie jest wypadkową ustawienia osi z i x. Jedyne założenie związane z układem współrzędnych to
przyjmowanie zawsze prawoskrętnego układu współrzędnych.
układy współrzędnych związane z przegubami, przykłady.
-układ lokalny
Obszar roboczy, zasięg robota.
- główną przestrzeń roboczą - w obrębie której przemieszcza się konstrukcyjne zakooczenie ostatniego, wolnego, ale nierozdzielnie związanego z mechanizmem
jednostki kinematycznej członu, z reguły sprzęgu chwytaka lub narzędzia;
- przestrzeń kolizyjną - w obrębie której zawierają się wszystkie elementy konstrukcyjne i przemieszczają się wszystkie zespoły ruchu - człony mechanizmu
jednostki kinematycznej;
- przestrzeń ruchów jałowych - przestrzeo kolizyjną z wyłączeniem głównej przestrzeni roboczej;
- strefę zagrożenia - przestrzeo zabronioną przepisami lub normami BHP dla obsługi w czasie pracy jednostki kinematycznej.
Podział przestrzeni roboczych:
-mechaniczne wynikają z konstrukcyjnych właściwości jednostki kinematycznej z korekcjami pochodzącymi np.: od sumowania luzów w połączeniach,
statycznymi i dynamicznymi odkształceniami sprężystymi itp. Przestrzenie te są z reguły większe od przestrzeni nominalnych określonych na podstawie geometrii
mechanizmu.
-sterownicze uwzględniają ograniczenia sterownicze wynikające z właściwości układów pomiarowych przemieszczeo, ograniczenia wynikające z zakresu
przetwarzania oraz właściwości samego układu sterownia np. ograniczenia wynikające z zakresów pracy serworegulatorów. Przestrzenie te są z reguły mniejsze
od przestrzeni nominalnej.
W6 Samochody autonomiczne i roboty na kołach
Prezentacja: Stanley samochód uniwersytetu Stanforda przygotowany na DARPA Desert Challenge.
- autonomiczny samochód stworzony przez Stanford Racing Team ze współpracą z Volkswagen Electronics Research Laboratory
-wygrał 2005 DARPA Grand Challenge.
-konstrukcja opierała się na ramie z modelu Volkswagena Toureg
-system kontroli drive by wire który jest dostosowany do uruchomienia bezpośrednio z komputera pokładowego bez wykorzystania siłowników czy
serwonapędów.
-do nawigacji, użyto 5 teledetektorów umieszczonych na dachu do budowy mapy 3D, uzupełniając położenie systemem GPS.
-wewnętrzny system prowadzenia wykorzystując żyroskopy i akcelerometry monitorował orientację pojazdu oraz służył do uzupełnienia GPS.
-dodatkowo naprowadzanie było zapewniane za pomocą kamery video użytej do obserwacji warunków prowadzenia do 80 metrów oraz do
wykrycia przestrzeni wystarczającej na przyśpieszenie.
inteligentny samochód Carnrgie-Melon University.
-Burza piaskowa jest autonomiczny pojazd stworzony przez Carnegie Mellon University 's Red Team,
- startował w 2004 i 2005 DARPA Grand Challenge.
-czujniki wykorzystywane przez Sandstorm w 2004 roku obejmowała trzy stałe LIDAR urządzeo laserowych zakrojone, jeden sterowanych LIDAR (w świecie na
górze), A RADAR jednostkę (opracowany we współpracy z Duke University Robotics Team) i parę kamer na wizji stereo .
H1ghlander jest autonomiczny pojazd . Stworzony przez Carnegie Mellon University 's Red Team
- startował w2005 DARPA Grand Challenge.
-czujniki wykorzystywane przez H1ghlander m.in. LIDAR jednostek laserowych zakrojone, jeden sterowanych LIDAR (w świecie na górze), GPS i inercyjny system
nawigacyjny .
Współczesne systemy wspomagania kierowcy:
tempomaty,
urządzenie utrzymujące stałą prędkośd pojazdu niezależnie od tego, czy pojazd porusza się po płaskiej nawierzchni, czy też pochyłej (podjazdy, zjazdy).
- regulacja prędkości odbywa się
-Technicznie tempomat jest rodzajem regulatora PID.
-parametry wejściowymi są przyciski sterowania itp. dostępne kierowcy, czujniki położenia pedałów gazu, hamulca ew. sprzęgła oraz sygnał opisujący prędkośd
pojazdu.
-Typowym efektorem jest w starszych rozwiązaniach zespół zaworów i siłownika (najczęściej podciśnieniowego) napędzającego przepustnicę równolegle do
pedału gazu, w wersjach nowszych sterowana jestprzepustnica elektroniczna.
Konstrukcja tempomatu (z ang. Cruising Control System, w skrócie CCS)
Elementy tempomatu:
" czujnik prędkości jazdy,
" elektroniczna jednostka sterująca,
" regulator (nastawnik) kąta ustawienia przepustnicy,
" przełączniki służące do ustawienia żądanej prędkości jazdy i wyłączenia układu
systemy detekcji zmiany pasa ruchu,
Asystent pasa ruchu
" Ostrzega kierowcę sygnałami wizualnymi i dzwiękowymi przed nieplanowanym i niekontrolowanym zjechaniem z pasa ruchu, czyli przed potencjalnie jednym z
najniebezpieczniejszych zagrożeo w ruchu drogowym.
systemy oceny kondycji kierowcy,
-system będzie się składał z rozmaitych urządzeń i czujników, które w sposób całkowicie nieinwazyjny skontrolują stan psychofizyczny kierowcy.
-monitorują oddech, tętno oraz stopień koncentracji. aktywność elektryczną mózgu oraz temperaturę skóry i jej potliwość. Wszystkie czujniki i
urządzenia będą rozmieszczone w podsufitce, kierownicy, na desce rozdzielczej oraz w fotelu kierowcy.
systemy obserwacji warunków na drodze,
VIDEO ROAD TRAFFIC INFO SYSTEM (VRTIS) to system podglądu sytuacyjnego drogi służący do obserwacji jej stanu przez całą dobę, tj. ogólnych warunków
panujących na drodze oraz dodatkowych informacji dzięki wyposażeniu systemu w opcjonalne czujniki:
-temperatura asfaltu na powierzchni i w głębi
-rezystancja drogi
-ilośd wody na drodze
-stan drogi sucha, wilgotna, mokra, zasolona itp.
-temperatura powietrza
-wilgotnośd powietrza
-ciśnienie atmosferyczne
systemy parkowania, przykłady.
Park Assist - system wspomagający parkowanie samochodów.- przestrzeo z boku pojazdu jest skanowana
-zadaniem kierowcy jest włączenie wstecznego biegu i kontrola prędkości.
- Park Assist cały manewr wykonuje sam (przejmuje kontrolę nad układem kierowniczym).
Systemy komunikacji lokalnej między samochodami i możliwości ich zastosowania.
- wykorzystuje technologię bezprzewodowych sieci lokalnych (ang. WLAN) lub dedykowaną komunikację krótkiego zasięgu (ang. DSRC), które wspierają
komunikację V2V, V2I lub komunikację między infrastrukturą drogową a pojazdami (ang. I2V).
-Oczekuje się, że systemy globalnej nawigacji satelitarnej (ang. GNSS) oraz zastosowanie trybu pracy w podczerwieni wzmocnią rozwiązania DCRC oraz
technologie łączności mobilnej takie jak LTE i wspólnie stworzą futurystyczną platformę dla współpracujących ze sobą inteligentnych systemów transportowych
w regionie.
Konstrukcje robotów na kołach:
rodzaje kół montowanych w robotach domowych i przemysłowych,
wleczone,
koło wleczone-Wahacz wleczony jest to odmiana wahacza wzdłużnego, w której oś obrotu koła znajduje się za osią
obrotu przegubu. Czyli oś koła jest ciągnięta ("wleczona") za osią przegubu.
parametry kinematyczne,
droga, przemieszczenie średnie, chwilowe, kątowe dośrodkowe, prędkośd średnia, chwilowa, kątowa,
koła Mecanum, przykłady zastosowań,
koła dzięki którym robot może się poruszać w każdym kierunku
koła kulowe, przykładowe zastosowania,
Robot porusza się na kuli do kręgli pokrytej warstwą gumy, za pomocą 3 niezależnych kółek, które powodują ruch kuli. Powoduje to, że robot nie tylko utrzymuje
pozycję pionową w jednym miejscu ale możne przemieszczad się w dowolnym kierunku w płaszczyznie poziomej.
pojazdy balansujące na dwóch kołach, na kuli, Honda U3 -X.
- mają zastosowanie w platformach transportowych. Najpopularniejszą z nich jest Segway .
-Roboty tego typu są niczym innym jak odwróconym, mobilnym wahadłem. Idea ta zakłada, że środek ciężkości w takim układzie
znajduje się powyżej osi obrotu. Takie wahadło jest więc układem niestabilnym.
-Honda U3-Xjest samobalansującym robotem jednokołowym zaprojektowanym do transportu osób
Kinematyka robotów na kołach klasy kimenatyczne, typowe konstrukcje.
Klasy kinematyczne:
Klasa robota zapisywana jest jako ( ) gdzie:
*stopieo mobilności robota+liczba stopni swobody bazy (korpusu) robota, które mogą byd zmieniane poprzez zmianę prędkości koła.,
*stopieo sterowalności (kierowalności) robota+ oznacza liczbę niezależnie orientowanych kół kierowanych (skrętnych).
Liczby te (aby ruch był możliwy)zawierają się w granicach:
, ,
i przedstawiają kolejno klasy:
(3,0) - robot posiada trzy koła szwedzkie,
(2,1) - robot posiada jedno koło kierowane oraz dwa koła kastora,
(2,0) - robot zwany inaczej unicycle, posiadający dwa koła umieszczone na wspólnej osi z których każde może obracad się z różną prędkością oraz jedno koło
Kastora,
(1,2) - robot posiadający dwa koła kierowane oraz jedno koło Kastora (roboty tego typu sprawiają największy problem podczas sterowania),
(1,1) - robot zwany samochodem kinematycznym, zachowujący się podczas sterowania tak samo jak samochód posiada jedno koło kierowane.
W7 Napędy robotów
silnik synchroniczny (z magnesami trwałymi, bezszczotkowy prądu stałego) budowa, charakterystyki mechaniczne, sterowanie;
Silnik synchroniczny
regulacja
- zmiana częstotliwości napięcia zasilającego
Bezszczotkowy
silnik indukcyjny budowa, charakterystyki mechaniczne,
1. Silnik indukcyjny (asynchroniczny)
Silnik asynchroniczny składa się z 2 podstawowych części:
nieruchomego stojana, wykonanego z ferromagnetycznych
blach elektrotechnicznych ze żłobkami na cewki uzwojenia, i
ruchomego wirnika, również wykonanego z blach ze żłobkami
na uzwojenie.
Regulacja poprzez zmianę napięcia zasilającego
Regulacja poprzez zmianę rezystancji w
obwodzie wirnika
Regulacja poprzez zmianę napięcia zasilającego
silnik krokowy (reluktancyjny) budowa, charakterystyki mechaniczne, sterowanie;
Silnik taki składa się z rotora o wielu zębach wykonanego z miękkiej stali i uzwojonego stojana.
Kiedy uzwojenia stojana są zasilane prądem stałym, bieguny namagnesowują się. Ruch pojawia
się na skutek przyciągania zębów rotora przez zasilane bieguny stojana.
Charakterystyki mechaniczne silnika skokowego:
A krzywa momentu pracy; B- krzywa momentu rozruchowego; fg-częstotliwośd graniczna przy biegu jałowym; fg częstotliwośd graniczna pod obciążeniem;
frmax 0 częstotliwośd graniczna rozruchu (bieg jałowy); fr max częstotliwośd graniczna pod obciążeniem; fr częstotliwośd rozruchu; fp częstotliwośc pracy; Mp
moment pracy; Mr moment rozruchowy; Ml moment obciążenia
Serwonapędy elektryczne charakterystyki mechaniczne, zasady doboru, przykładowe karty katalogowe napędów.
Kryteria doboru
Podstawowym kryterium doboru serwonapędu jest jego przeznaczenie czyli warunki i rodzaj pracy do jakiej będzie on przeznaczony. prawidłowy dobór
serwonapędu związany jest z właściwym dopasowaniem wszystkich wielkości elementów współpracujących ze sobą podczas pracy serwonapędu. Do
podstawowych należą: silnik elektryczny z saniami; -częśd mechaniczna; -układ pomiaru położenia; -dobór regulatora..
Ch. Mechaniczna
Silniki liniowe budowa, przykłady konstrukcji, zastosowania.
Silnik liniowy silnik elektryczny generujący ruch postępowy bez użycia przekładni transformujących ruch obrotowy na postępowy. Działa na zasadzie podobnej
do silnika obrotowego, w którym stator i rotor zostały rozwinięte do postaci liniowej i odpowiednio przedłużone lub skrócone w celu uzyskania odpowiedniego
zakresu ruchu.
Silniki indukcyjne liniowe:
-koleje miejskie, w tym typu maglev
-mechanizm przemieszczający głowicę w dyskach twardych
-mechanizm zmiany położenia i kąta materaca w łóżkach szpitalnych
-mechanizmy realizujący zamykanie okien
-mechanizmy bicia dzwonów
-mechanizm posuwu w niektórych obrabiarkach sterowanych numerycznie
Napęd pneumatyczny: siłowniki, sztuczne mięśnie, charakterystyki mechaniczne, typowe konstrukcje i zastosowania,
przykładowe oprogramowanie do doboru napędów pneumatycznych.
Siłownik pneumatyczny
Zastosowanie
-automatyka
-przemysł
-maszyny rolnicze
siłownik pneumatyczny rodzaj pneumatycznego siłownika jednostronnego działania. Jest to elastyczny przewód w oplocie, który pod wpływem ciśnienia
zwiększa swoją objętośd zwiększa średnicę i zmniejsza długośd, co jest wykorzystywane jako ruch roboczy.
Napęd hydrauliczny.
Napęd hydrauliczny urządzenie służące do przekazywania energii mechanicznej z miejsca jej wytworzenia do miejsca napędzanego za pomocą cieczy. Zasada
działania napędów hydraulicznych oparta jest na prawie Pascala.
Napędy hydrauliczne są wykorzystywane w górnictwie, hutnictwie, obrabiarkach, maszynach rolniczych, budowlanych i drogowych. Napędy hydrauliczne
dzielone są na hydrostatyczne i hydrokinetyczne.
Zalety napędów hydraulicznych
" małe gabaryty i ciężar, zwarta budowa,
" trwałośd i niezawodnośd,
" duży moment rozruchowy przy krótkim czasie rozruchu i hamowania,
" płynna, bezstopniowa regulacja prędkości i zmiany kierunku ruchu,
" duża obciążalnośd przy małych prędkościach ruchu,
" łatwośd zabezpieczenia przed przeciążeniem,
" realizacja dowolnych ruchów urządzenia wykonawczego: posuwisto-zwrotnych, wahadłowych i obrotowych,
" precyzja działania,
" standaryzacja elementów i łatwośd automatyzacji,
" łatwośd prowadzenia instalacji nawet na duże odległości,
" małe koszty konserwacji ze względu na smarne właściwości czynnika roboczego.
Wady napędów hydraulicznych
" wrażliwośd na zapowietrzenie,
" straty mocy podczas przepływu czynnika roboczego w instalacji,
" wymagania wysokiej precyzji wykonania i remontu urządzeo,
" wymagania wysokiej kwalifikacji obsługi,
" koniecznośd dokładnego wykonania elementów zasilających,
" w niektórych przypadkach koniecznośd utrzymywania stałej temperatury obiegowej
Zjawisko lewitacji kwantowej i możliwości jego zastosowania w technice. System Supra Motion (Festo).
Nadprzewodnictwo stan materiału polegający na zerowej rezystancji, jest osiągany w niektórych materiałach w niskiej
temperaturze.Nadprzewodnictwo zostało wykryte w 1911 przez KamerlinghaOnnesa[ 1 ]. Jest to zjawisko kwantowe, niemożliwe do
wyjaśnienia na gruncie fizyki klasycznej. Poza zerową rezystancją inną ważną cechą nadprzewodników jest wypychanie ze swej
objętości pola magnetycznego (efekt Meissnera).
W8 Interakcja człowieka z robotem
Modele współpracy człowieka z robotem na podstawie dokumentu Problem Domains in HRI
(humanrobotinteraction.org): współpraca zdalna, kooperacja z maszyną znajdującą się w bezpośredniej bliskości
człowieka, człowiek jako nadzorca, partner lub podmiot nadzorowany przez maszynę.
Obszary współpracy: akcje poszukiwawcze i ratownictwo, rehabilitacja, wspomaganie niepełnosprawnych, zapewnienie
bezpieczeństwa i porządku (wojsko i policja), kształcenie i rozrywka, współpraca w kosmosie, zastosowania domowe i
przemysłowe.
Interakcja człowiek-robot - badanie interakcji między ludzmi i robotami. Przez naukowców jest to często określane jako HRI. Interakcja człowiek-robot jest
multidyscyplinarnym polem składającym się z interakcji człowiek-komputer, sztucznej inteligencji, robotyki, rozumienia języka naturalnego, projektowania i nauk
społecznych.
USAR - (miejskie SAR lub US & R w Stanach Zjednoczonych) polega na lokalizacji, wyzwoleniu i początkowej stabilizacji medycznej ofiar uwięzionych w zapaści
strukturalnej z powodu klęsk żywiołowych, w kopalniach i podkopach.
UAV - (bezzałogowy statek latający) statek powietrzny, który nie wymaga do lotu załogi obecnej na pokładzie oraz nie ma możliwości zabierania pasażerów,
pilotowany zdalnie lub wykonujący lot autonomicznie. Bezzałogowe statki latające obecnie wykorzystywane są głównie przez siły zbrojne do obserwacji i
rozpoznania przez co zwykle wyposażone są w osprzęt służący do obserwacji w postaci głowic optoelektronicznych. Uzbrojone i przeznaczone do wykonywania
działao bojowych statki są określane jako Unmannedcombatairvehicle (UCAV).
Modele współpracy człowieka z robotem
-Współpraca zdalna
-Kooperacja z maszyną znajdującą się w bezpośredniej bliskości człowieka
-Człowiek jako nadzorca
-Człowiek jako partner
-Człowiek jako przedmiot nadzorowany przez maszynę
Obszar zastosowao Sposób sterowania Rola Przykład
Poszukiwanie i ratownictwo Zdalny Człowiek jest kierownikiem Zdalnie starowany robot szukający
lub operatorem
Bezpośredni Człowiek i robot są parą Robot podpierajacy niestabilne
struktury
Robotyka wspomagająca Bezpośredni Człowiek i robot są parą lub Pomoc dla osób niewidomych
robot jest narzędziem Terapia dla osób starszych
Bezpośredni Człowiek jest mentorem Interakcja społeczna dla dzieci z
autyzmem
Wojsko i policja Zdalny Człowiek jest kierownikiem Rekonesans/rozminowywanie
Zdalny lub Bezpośredni Człowiek i robot są parą Wsparcie patrolu
Zdalny Człowiek jest odbiorcą Dowódca wykorzystujący informacje
informacji rozpoznawcze
Edutainment Bezpośredni Robot jest mentorem Robot asystent w klasie (szkoła)
Robot jest mentorem Robot przewodnik po muzeum
Robot jest obserwatorem Towarzysz społeczny
Przestrzeo kosmiczna Zdalny Człowiek jest kierownikiem Zdalny robot naukowy i
lub operatorem eksploracyjny
Bezpośredni Człowiek i robot są parą Robot asystent astronauty
Dom i przemysł Bezpośredni Człowiek i robot są parą Robot towarzysz
Bezpośredni Człowiek jest kierownikiem Robot próżniowy
Zdalny Człowiek jest kierownikiem Robot budowlany
W9 Systemy nawigacji lokalnej i globalnej, logistyka
Urządzenia służące do prowadzenia nawigacji zliczeniowej:
enkodery,
Enkoder - przetwornik do ilościowego określania ruchu obrotowego lub liniowego i wyrażania go w postaci impulsów
elektrycznych, np.:
" enkoder liniowy
" optyczny enkoder obrotowy
" enkoder inkrementalny
" enkoder absolutny
akcelerometry,
akcelerometr, akceleromierz, przetwornik przyspieszenia przyrząd do pomiaru przyspieszeń liniowych lub kątowych.
Mierzy własny ruch.
żyroskop mechaniczny,
Żyroskop-służy do pomiaru, a także utrzymywania położenia kątowego. Działa ono w oparciu o zasadę zachowania momentu
pędu.
żyroskopy mechaniczne które mają ograniczoną swobodę obrotu przeważnie w jednej z osi układu kartezjańskiego
żyrokompas (mechaniczny, MEMS),
Żyrokompas, żyrobusola, kompas żyroskopowy, kompas elektroniczny, przyrząd żyroskopowy wskazujący kierunek północy
geograficznej, w którym wykorzystano zasadę stałego położenia w przestrzeni osi wirującego z dużą prędkością bąka
(żyroskopu).
Przykład: wyniki eksperymentu opisanego w artykule: Chung H, Ojeda L. Borenstein J.: Accurate Mobile Robot Dead -
reckoning With a Precision-calibrated Optic Gyroscope .
Nawigacja na podstawie pozycji zmierzonej zasada prowadzenia nawigacji.
Systemy sterowania stosujące nawigację po miarową: GPS, system North Star (Evolution Robotics).
Global Positioning System (GPS)- system nawigacji. Działanie polega na pomiarze czasu dotarcia sygnału radiowego z satelitów do odbiornika.
Znając prędkośd fali elektromagnetycznej oraz znając dokładny czas wysłania danego sygnału można obliczyd odległośd odbiornika od
satelitów.
Systemy pomiaru odległości wykorzystywane w robotach: pomiar ultradzwiękowy, kamery TOF, lidar.
Systemy pomiaru odległości wykorzystywane w robotach:
Pomiar ultradzwiękowy-Ultradzwięki dzięki małej długości fali pozwalają na uzyskanie dokładnych obrazów przedmiotów. Urządzenie, które
umożliwia obserwację głębin morskich to sonar[3]. Jego zastosowanie to lokalizacja wszystkich obiektów zanurzonych w wodzie. Sonary
wykorzystywano w okrętach podwodnych.
Kamery TOF- rejestrują obraz z prędkością światła. ToF polega na wysłaniu w określonych kierunkach zmodulowanych impulsów świetlnych i
pomiarze czasu ich powrotu do umieszczonego w urządzeniu sensora.
Lidar urządzenie działające na podobnej zasadzie jak radar. Lidar jest połączeniem lasera z teleskopem.
Lidar służy do wyznaczania przejrzystości powietrza, badania koncentracji zanieczyszczeo w atmosferze i detekcji ich składu, wykrywania
obszarów o odmiennej temperaturze
Systemy nawigacji według znaczników: maty z elementami RFID, elektroniczne ogrodzenia, znaczniki w postaci kodów
QR.
Elektroniczne ogrodzenie- płot elektryczny, ogrodzenie elektryczne, paralizator rodzaj ogrodzenia, wykorzystywanego na pastwiskach, zabezpieczającego
przed wychodzeniem zwierząt hodowlanych poza ogrodzenie, a także zabezpieczających pastwisko przed wchodzeniem na nie z zewnątrz zwierzyny dzikiej.
Problem pokrycia powierzchni i nawigacji w robotach sprzątających: historia robotów sprzątających, obszary
zastosowań, przykładowe konstrukcje i dane techniczne, porównanie strategii pokrycia powierzchni na przykładzie
autonomicznych odkurzaczy.
W10 Sztuczna inteligencja w robotyce
Algorytmy genetyczne: podstawowe pojęcia: gen, c hromosom, kodowanie, przestrzeo poszukiwao; typowe zastosowania,
przykłady, prezentacja przykładowych problemów (przeszukiwanie zbioru rozwiązao, problem komiwojażera)
Algorytm genetyczny - rodzaj algorytmu przeszukującego przestrzeo alternatywnych rozwiązao problemu w celu wyszukania najlepszych rozwiązao. Algorytmy
genetyczne stanowią wzorowaną na naturalnej ewolucji metodę rozwiązywania problemów optymalizacyjnych. Są procedurami przeszukiwania przestrzeni
rozwiązao opartymi na mechanizmach doboru naturalnego i dziedziczenia. Korzystają z ewolucyjnej zasady przeżycia osobników najlepiej przystosowanych.
Gen podstawowa jednostka dziedziczności determinująca powstanie jednej cząsteczki białka lub kwasu rybonukleinowego zapisana w sekwencji nukleotydów
kwasu deoksyrybonukleinowego.
Chromosom - inaczej nazywany łańcuchem lub ciągiem kodowym - to uporządkowany ciąg genów Zbiór wszystkich możliwych rozwiązao danego problemu nosi
nazwę przestrzeni poszukiwao
Zapis algorytmu:
Najczęściej działanie algorytmu przebiega następująco:
-Losowana jest pewna populacja początkowa.
-Populacja poddawana jest ocenie (selekcja). Najlepiej przystosowane osobniki biorą udział w procesie reprodukcji.
-Genotypy wybranych osobników poddawane są operatorom ewolucyjnym:
-są ze sobą kojarzone poprzez złączanie genotypów rodziców (krzyżowanie),
-przeprowadzana jest mutacja, czyli wprowadzenie drobnych losowych zmian.
-Rodzi się drugie (kolejne) pokolenie. Aby utrzymad stałą liczbę osobników w populacji te najlepsze (według funkcji oceniającej fenotyp) są powielane, a
najsłabsze usuwane. Jeżeli nie znaleziono dostatecznie dobrego rozwiązania, algorytm powraca do kroku drugiego. W przeciwnym wypadku wybieramy
najlepszego osobnika z populacji - jego genotyp to uzyskany wynik.
Działanie algorytmu genetycznego obejmuje kilka zagadnieo potrzebnych do ustalenia:
- ustalenie genomu jako reprezentanta wyniku.
- ustalenie funkcji przystosowania/dopasowania.
- ustalenie operatorów przeszukiwania.
Kodowanie jest bardzo istotnym etapem projektowania algorytmu. Sposób zakodowania w chromosomie informacji o proponowanym rozwiązaniu wydatnie
wpływa na szybkośd i jakośd znajdowanych wyników. Przyczyną takiego zjawiska jest wpływ kodowania na sposób w jaki przeszukiwana jest przestrzeo
rozwiązao.
Najczęściej stosowane kodowania chromosomu:
-wektorem genów, z których każdy z nich może byd jedno- lub wielobitową liczbą całkowitą, bądz też liczbą rzeczywistą.
-za pomocą drzewiastych struktur danych.
Zastosowania algorytmów genetycznych:
-Projektowanie genetyczne
-Przeszukiwanie
-Rozwiązywanie problemów NP
Problem komiwojażera
Komiwojażer ma do odwiedzenia pewna liczbę miast. Chciałby dotrzed do każdego z nich i wrócid do miasta, z którego wyruszył. Dane są również odległości
miedzy miastami. Jak powinien zaplanowad trasę podróży, aby w sumie przebył możliwie najkrótsza drogę? Przez 'odległośd' miedzy miastami możemy rozumied
odległośd w kilometrach, czas trwania podróży miedzy tymi miastami albo koszt takiej podróży (na przykład cenę biletu lotniczego). W tym ostatnim przypadku,
poszukiwanie optymalnej trasy polega na zminimalizowaniu całkowitych kosztów podróży. Tak wiec możemy poszukiwad trasy najkrótszej albo najszybszej albo
najtaoszej. Zakładamy przy tym, że odległośd miedzy dowolnymi dwoma miastami jest nie większa niż długośd jakiejkolwiek drogi łączącej te miasta, która
wiedzie przez inne miasta. Założenie to tylko z pozoru wydaje sie byd zawsze spełnione.
Sformułowanie problemu.
Zbudujmy graf ważony, którego wierzchołki są miastami. Otrzymujemy w ten sposób graf pełny, który
ma tyle wierzchołków ile miast musi odwiedzid komiwojażer (wliczając w to miasto, z którego wyrusza).
Odwiedzenie wszystkich miast odpowiada cyklowi, który przechodzi przez każdy wierzchołek danego
grafu dokładnie raz. Cykl taki nazywamy cyklem Hamiltona. Poszukujemy wiec w grafie pełnym cyklu
Hamiltona o minimalnej sumie wag krawędzi.
Wagami krawędzisą odległości podane w kilometrach. Poszukujemy rozwiązanianastępującego
problemu: Komiwojażer wyrusza z Warszawy i chce odwiedzid wszystkie pozostałe cztery miasta a
następnie wrócid do Warszawy. Jak powinien zaplanowad podróż, aby przebył możliwie najmniejsza
liczbę kilometrów?
Już przy pięciu miastach wszystkich możliwych tras podróży komiwojażera jest � * 4 * 3 * 2 * 1 = 4!/2. Można zauważyd, że przy większej liczbie miast
rozważanie wszystkich możliwości nie jest najlepszym pomysłem.
Dlaczego rozwiązanie tego problemu zawsze istnieje ?
Dowolny graf pełny posiada co najmniej jeden cykl Hamiltona. Ponieważ graf ma skooczona liczbę wierzchołków, to w zbiorze cykli Hamiltona istnieje taki
(niekoniecznie jedyny), który posiada minimalna sumę wag krawędzi.
Algorytmy rozwiązujące problem komiwojażera.
Istnieje wiele algorytmów rozwiązujących ten problem. Wszystkie maja jedna podstawowa wadę. Wymagają rozważenia bardzo dużej liczby przypadków i czas
ich działania może byd bardzo długi. Niewielki przyrost liczby miast powoduje 'duży' wzrost ilości przypadków do rozważenia i tym samym czasu działania
algorytmu. Jeden z możliwych algorytmów polega na obliczeniu całkowitej długości wszystkich istniejących w danym grafie cykli Hamiltona. Jest to jednak bardzo
skomplikowane już dla liczby miast niewiele większej od pięciu. Na przykład dla 20 miast liczba cykli Hamiltona w grafie pełnym o 20 wierzchołkach wynosi
19!/2 czyli około 6000000.
Logika rozmyta: podstawowe pojęcia: zmienna liczbowa, zmienna ziarnista, zmienna lingwistyczna, fuzyfikacja, defuzyfikacja;
prawa logiki rozmytej, schemat sterowania z regulatorem r ozmytym; typowe zastosowania, przykłady, prezentacja
przykładowych problemów (sterowanie suwnicą program fuzzyTech)
LOGIKA ROZMYTA (Fuzzy-Logic)
Logika rozmyta opiera się na pojęciu zbioru rozmytego. Zbiór rozmyty różni się od klasycznegozbioru logiki dwuwartościowej tym, że nie ma ostrej, dobrze
określonej granicy. W przypadkuklasycznego zbioru A element x całkowicie należy do A (przynależnośdrówna 1) albo całkowicie jestz A wyłączny
(przynależnośdrówna 0), czyli należy do zbioru nie-A (jest to tzw. zasada wyłączonegośrodka). W przypadku zbioru rozmytego przynależnośdelementu może byd
częściowa i przybieraddowolną wartośd z przedziału *0,1+. Wartośd ta jest określona przez tzw. funkcję przynależności (membershipfunction). W przypadku pojęd
nieostrych i nieprecyzyjnych logika rozmyta jestnaturalnym sposobem opisu. O konkretnym kształcie i położeniu funkcji przynależności decyduje"wiedza
eksperta", którym może byd doświadczony operator albo np. sied neuronowa uczona danymidoświadczalnymi z procesu.Poziomy przynależności do zbiorów
rozmytych różne od 0 (false) lub 1 (true) wymagają rozszerzeniadefinicji operacji logicznych. I tak najprostszym rozszerzeniem operacji iloczynu logicznego A AND
B, gdzie A,B*0,1+ są poziomami przynależności, jest zastosowanie funkcji min(A,B) wybierającej mniejszą z wartości funkcji przynależności do A i B, dla operacji
sumy A OR B można zastosowad funkcją max(A,B), a dla negacji NOT A funkcją 1-A. Tworzy się w ten sposób tablice prawdy logiki rozmytej.
Schemat systemu rozmytego
Zmienna lingwistyczna średni
Zmienna liczbowa 170 cm
Projektowanie układu sprowadza się do zdefiniowania operacji wykonywanych w poszczególnych
krokach:
1. Fuzzyfikacja(rozmywanie)wejśd. Polega ona na określeniu stopnia przynależności danej wartości wielkościwejściowej do każdego z odpowiadających jej
zbiorów rozmytych pokrywających zakres możliwychwartości wejściowych (np. do jakiego stopnia temperatura jest niska, a do jakiego średnia). Operacja
tasprowadza się na obliczaniu funkcji lub wyszukiwaniu odpowiednich wartości w tabelach.
2. Zastosowanie operatorów logiki rozmytej do określenia stopnia, w jakim spełniona jest
przesłanka w każdej z reguł. Wartościamiwejściowymi sąwartości przynależnościsfuzzyfikowanych wejśd, na których wykonywane są rozmyte operacje logiczne
(AND, OR itp.)
tworzące przesłanki. Jako wynik otrzymuje się pojedynczy poziom prawdy spełnienia przesłanki.
3. Zastosowanie metody implikacji. Operacja ta sprowadza się do zmiany kształtu funkcji
przynależności zbioru rozmytego konkluzji zgodnie z poziomem prawdy spełnieniaprzesłanki (przez
obcięcie lub skalowanie). Dodatkowo przesłance każdej z reguł można nadad wagę z zakresu od 0 do
1 wyrażającą jej ważnośd w porównaniu z innymi. Wynikiem operacji są zbiory rozmyte
odpowiadające każdej wielkości wyjściowej występującej w konkluzji.
4. Agregacja wszystkich wyjśd. Polega ona na połączeniu dla każdej wielkości wyjściowej
odpowiadających jej zbiorów wyjściowych ze wszystkich reguł w jeden zbiór rozmyty. Na wejściu
procesu agregacji mamy listę obciętych lub przeskalowanych w wyniku implikacji funkcji
przynależności danej wielkości wyjściowej w poszczególnych regułach (niekoniecznie wszystkich).
5. Defuzzyfikacja ( wyostrzanie ).Polega na wyznaczeniu konkretnej wartości dla każdej wielkości wyjściowej zezbioru rozmytego otrzymanego po agregacji.
Najczęściej stosowaną metod" defuzzyfikacji jestobliczanie środka ciężkości obszaru pod krzywą zagregowanej funkcji przynależności (centroidmethod). Inne
możliwości to średnia maksimów funkcji zbioru wyjściowego, wybór największego lubnajmniejszego z maksimów czy metoda bisekcji.
Zastosowanie:
Logika rozmyta jest stosowana w wielu dziedzinach, służy do wyboru sposobu działania. Znalazła ona szerokie zastosowanie w sprzęcie AGD takim jak zmywarki
kuchenne, pralki automatyczne używające logiki rozmytej do optymalnego dozowania ilości mydła, odpowiedniego ciśnienia wody do brudnych naczyo i ubrao.
Jest też używana również w kamerach z auto fokusem, systemach wspomagania hamowania w samochodach (ABS), systemach eksperckich wspierających
decyzje i systemach meteorologicznych.Logika rozmyta służy także do takich zagadnieo jak przetwarzanie obrazu, rozwiązywanie problemu korków ulicznych czy
unikanie kolizji. Sterowniki wykorzystujące logikę rozmytą są również używane na przykład w połączeniu z sieciami neuronowymi.
Sieci neuronowe: podstawowe pojęcia: neuron, synapsa, waga, funkcja przełączająca, proces uczenia sieci; schemat uczenia
sieci; typowe zastosowania, przykłady.
Neuron - komórka nerwowa rodzaj elektrycznie pobudliwej komórki zdolnej do przetwarzania i przewodzenia informacji w postaci sygnału elektrycznego. T
Synapsa miejsce komunikacji błony kooczącej akson z błoną komórkową drugiej komórki, nerwowej lub komórki efektora (narządu wykonawczego), np. mięśni
lub gruczołu.
Impuls nerwowy zostaje przeniesiony z jednej komórki na drugą przy udziale substancji o charakterze neuroprzekaznika mediatora synaptycznego (synapsy
chemiczne) lub na drodze impulsu elektrycznego (synapsy elektryczne)
Waga synaptyczna - neuron jest zdolny do określania znaczenia (ważkości) każdego z nich dla organizmu. Stwierdzono, że wagi poszczególnych wejśd oraz
wysokości progów pobudliwości są zmienne. Obserwacje te wykorzystano w czasie tworzenia modeli sztucznych neuronów i sztucznych sieci neuronowych.
Sztuczny neuron jest elementem sieci, w którym pewna liczba danych wejściowych (zmiennych niezależnych) jest przekształcana w jedną wyjściową wartośd
zmiennej zależnej (wartośd funkcji aktywacji, obliczaną dla zsumowanych wejśd). Wagi sygnałów wejściowych są liczbami, przez które mnoży się wartości
wejściowe.
Do wejśd doprowadzane są sygnały dochodzące z neuronów warstwy poprzedniej. Każdy sygnał mnożony jest przez odpowiadającą mu wartośd liczbową zwaną
wagą. Wpływa ona na percepcję danego sygnału wejściowego i jego udział w tworzeniu sygnału wyjściowego przez neuron. Waga może byd pobudzająca -
dodatnia lub opózniająca - ujemna; jeżeli nie ma połączenia między neuronami to waga jest równa zero. Zsumowane iloczyny sygnałów i wag stanowią argument
funkcji aktywacji neuronu.
Sztuczna sied neuronowa ogólna nazwa struktur matematycznych i ich programowych lub sprzętowych modeli, realizujących obliczenia lub przetwarzanie
sygnałów poprzez rzędy elementów wykonujących pewną podstawową operację na swoim wejściu, zwanych neuronami. Oryginalną inspiracją takiej struktury
była budowa naturalnych układów nerwowych, w szczególności mózgu.
Algorytm propagacji wstecznej - uczenie z nadzorem lub inaczej - z nauczycielem.
Podobnie jak w przypadku pojedynczego neuronu, główną zaletą sieci neuronowej jest to, że nie musimy "ręcznie" dobierad wag. Możemy te wagi wytrenowad,
czyli znalezd ich w przybliżeniu optymalny zestaw za pomocą metody obliczeniowej zwanej wsteczną propagacją błędu. Jest to metoda umożliwiająca
modyfikację wag w sieci o architekturze warstwowej we wszystkich jej warstwach.
Proces uczenia się sieci wygląda następująco:
-Ustalamy topologię sieci, tzn. liczbę warstw, liczbę neuronów w warstwach.
-Inicjujemy wagi losowo (na małe wartości).
-Dla danego wektora uczącego obliczamy odpowiedz sieci (warstwa po warstwie).
-Każdy neuron wyjściowy oblicza swój błąd, oparty na różnicy pomiędzy obliczoną odpowiedzią y oraz poprawną odpowiedzią t.
-Błędy propagowane są do wcześniejszych warstw.
-Każdy neuron (również w warstwach ukrytych) modyfikuje wagi na podstawie wartości błędu i wielkości przetwarzanych w tym kroku sygnałów.
-Powtarzamy od punktu 3. dla kolejnych wektorów uczących. Gdy wszystkie wektory zostaną użyte, losowo zmieniamy ich kolejnośd i zaczynamy wykorzystywad
powtórnie.
-Zatrzymujemy się, gdy średni błąd na danych treningowych przestanie maled. Możemy też co jakiś czas testowad sied na specjalnej puli nieużywanych do
treningu próbek testowych i kooczyd trenowanie, gdy błąd przestanie maled.
Schemat uczenia się sieci
Sztuczne sieci neuronowe znajdują zastosowanie w rozpoznawaniu i klasyfikacji wzorców (przydzielaniu wzorcom kategorii), klasyfikacji danych, predykcji
szeregów czasowych, analizie danych statystycznych, aproksymacji funkcji, odszumianiu i kompresji obrazu i dzwięku oraz w zagadnieniach sterowania i
automatyzacji.
W11. Chwytaki, egzoszkielety
Chwytak to w robotyce oprzyrządowanie manipulatorów, robotów, dające możliwośd chwycenia i transportu przedmiotów w zautomatyzowanych czynnościach
precyzyjnych. Chwytak może byd wyposażony w narzędzie (np. lutownica, spawarka), umożliwiające realizację określonych czynności.
�� Zadania chwytaka
o uchwycenie manipulowanego przedmiotu z zapewnieniem mu właściwej orientacji
o utrzymanie przedmiotu pomimo działających sił zewnętrznych i przyspieszeo transportowych
o pozostawienie przedmiotu we właściwej orientacji w miejscu przeznaczeni
�� Rodzaje chwytaków:
Ze względu na budowę:
�� napędu
o mechaniczny
o pneumatyczny
o hydrauliczny
o elektromagnetyczny
o adhezyjny
�� układu przeniesienia napędu
o nożycowy
o szczypcowy
o imadłowy
o opasujący
�� układu wykonawczego
o dwuszczękowy
o trójszczękowy
o wieloszczękowy
o inny
z końcówkami:
�� sztywnymi
�� sprężystymi
�� elastycznymi
Ze względu na sposób trzymania detalu:
�� kształtowe
�� siłowe
�� siłowo-kształtowe
Ze względu na sposób mocowania chwytaka:
�� ręczny
�� automatyczny (z adapterem)
�� Stopnie swobody chwytaka, ruchliwośd, manewrowośd
Liczba stopni swobodyjest to ilośd zmiennych położenia, jaką należy podad w celu jednoznacznego określenia układu w przestrzeni. W celu wyznaczenia liczby
stopni swobody korzysta się ze wzoru:
w =6n - 5p5 - 4 p4
gdzie:
w - liczba stopni swobody
n - liczba członów (par) łaocucha kinematycznego
p5, p4 odpowiednie pary kinematyczna klasy piątej i czwartej
Zazwyczaj liczba stopni swobody jest równa liczbie osi robota.
Ruchliwośd r - liczba stopni swobody łaocucha kinematycznego mechanizmu z unieruchomionym członem - podstawą.
r = w - 6
Manewrowośd m - liczba stopni swobody łaocucha kinematycznego mechanizmu z unieruchomionymi: podstawą i ostatnim w łaocuchu członem
kinematycznym.
m = r - 6
Pierwszy z tych parametrów określa liczbę więzów, jaką należałoby nałożyd na mechanizm, aby go całkowicie unieruchomid. Drugi - podobnie, ale po
dodatkowym jeszcze unieruchomieniu ostatniego wolnego członu, a więc określa swobodę ruchu mechanizmu w przypadku gdy np. chwytak lub narzędzie
jednostki kinematycznej zajmuje ściśle określone położenie.
�� Czujniki stosowane w chwytakach
Podstawowymi czujnikami, w jakie wyposażone są chwytaki maszyn manipulacyjnych stosowanych współcześnie w robotyzacji procesów
produkcyjnych, są:
�� czujniki zbliżenia chwytaka lub koocówek chwytnych do obiektu,
�� czujniki dotyku koocówek chwytnych do powierzchni obiektu,
�� czujniki nacisku koocówek chwytnych na obiekt.
Czujniki zbliżenia umożliwiają bezdotykowe zebranie wybranych informacji o obiekcie manipulacji. Jako czujniki zbliżenia wykorzystuje się przeważnie
przetworniki indukcyjne, pojemnościowe oraz optyczne. Jako czujniki dotyku wykorzystuje się z reguły elementy stykowe umieszczone w korpusie chwytaka w
taki sposób, aby przemieszczenie koocówki chwytnej powodowało ich przełączenie. Dla pomiaru nacisku koocówek chwytnych na obiekt manipulacji,
wykorzystuje się przetworniki tensometryczne. Przez porównanie sygnału wyjściowego z układu pomiaru odkształceo w koocówkach chwytnych z zadaną
wartością progową można uzyskad informację o uchwyceniu obiektu z odpowiednią wartością siły chwytu.
Pomocnicze urządzenia i narzędzia technologiczne stosowane jako wyposażenie chwytaków mogą realizowad m.in. zadania:
�� technologiczne, których wykonanie w trakcie manipulacji nie wpływa na pewnośd uchwycenia obiektu,
�� eliminowania niedokładności wzajemnego ustawienia obiektu manipulacji i koocówek chwytnych albo obiektu manipulacji i urządzenia mocującego
maszyny technologicznej,
�� właściwego ukierunkowania (zorientowania) obiektu manipulacji.
�� Przenoszenie napędu chwytaka - sterowanie
Niezwykle istotnym elementem chwytaków oraz innych urządzeń mechanicznych jest sposób przeniesienia napędu. Najczęściej
spotykane układy przeniesienia napędu dla chwytaków przedstawione zostały na poniższych rysunkach zebranych poniżej:
napęd dzwigniowy
napęd zębaty
napęd klinowy
napęd jarzmowy
�� Nowe materiały stosowane do budowy chwytaków
Elastomery dielektryczne (zwane także polimerami elektrostrykcyjnymi) pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego wykazują mechaniczne
odkształcenie. Zdolnośd do odkształcenia takiego materiału to nawet 10-30%. Dzięki swojej zdolności elektrostrykcyjnego odkształcenia, materiały te znalazły
szerokie zastosowanie przy budowie sztucznych mięśni.
Jak działają elastomery dielektryczne. Zasada działania nowego rodzaju siłowników, nazywanych sztucznymi mięśniami, jest stosunkowo prosta. Wiele
elastomerów dielektrycznych umieszczonych w dostatecznie silnym polu elektrycznym, kurczy się w kierunku pola i rozszerza w płaszczyznie do niego
prostopadłej, ulegając zjawisku, które fizycy nazywają naprężeniem Maxwella. Nowe urządzenia przypominają giętkie kondensatory - dwie okładki z umieszczoną
między nimi warstwą dielektryka. Po podłączeniu napięcia przeciwległe okładki ładują się odpowiednio dodatnio i ujemnie. Przyciągają się i zgniatają
rozdzielający je izolator, który w odpowiedzi zwiększa swoją powierzchnię.
Powleka się z obydwu stron cienkie (zwykle grubości 30-60 mm) warstwy elastomerów dielektrycznych plastycznym polimerem, zawierającym drobiny
przewodzącego węgla. Po połączeniu przewodami z zasilaczem zewnętrzne warstwy z węglem służą za elastyczne elektrody, rozciągające się wraz ze
znajdującym się między nimi materiałem. Taka przypominająca kanapkę struktura jest podstawowym elementem wielu rodzajów nowych siłowników, czujników
i generatorów prądu.
Materiał kompozytowy, kompozyt - materiał o strukturzeniejednorodnej, złożony z dwóch lub więcej komponentów (faz) o różnych właściwościach.
Właściwości kompozytów nigdy nie są sumą, czy średnią właściwości jego składników. Najczęściej jeden z komponentów stanowi lepiszcze, które gwarantuje
jego spójnośd, twardośd, elastycznośd i odpornośd na ściskanie, a drugi, tzw. komponent konstrukcyjny zapewnia większośd pozostałych własności
mechanicznych kompozytu.
Wiele kompozytów wykazuje anizotropię różnych właściwości fizycznych. Nie muszą to byd
wyłącznie własności mechaniczne. Np. polaroid to przykład kompozytu, który osiągnął sukces
komercyjny dzięki jego szczególnym anizotropowym własnościom elektrooptycznym.
Jednymi z najczęściej stosowanych komponentów konstrukcyjnych są silne włókna takie jak
włókno szklane, kwarc, azbest, kevlar czy włókna węglowe dając materiałowi dużą odpornośd
na rozciąganie. Do najczęściej stosowanych lepiszczy zaliczają się żywice syntetyczne oparte na
poliestrach, polieterach (epoksydach), poliuretanach i żywicach silikonowych.
W12 Roboty równoległe
Historia rozwoju maszyn z kinematyką równoległą: pierwsze patenty, Eric Gough.
Maszyny równoległe: konstrukcje maszyn z równoległymi łańcucham,i kinematycznymi wg badań Prof. Jean -Pierre Merlet
(INRIA), właściwości maszyn równoległych, zastosowania maszyn równoległych: rozrywka, symulatory lotu/jazdy,
stabilizacja obiektów, manipulacja (przemysł, medycyna), montaż i operacje transportowe (handling), optyka, przemysł
maszynowy.
Szczegóły konstrukcji maszyn równoległych: napędy , mocowania, przeguby.
Sterowanie maszyn równoległych.
Maszyny równoległe: konstrukcje maszyn z równoległymi łańcucham,i kinematycznymi wg badań Prof. Jean -Pierre Merlet
(INRIA), właściwości maszyn równoległych, zastosowania maszyn równoległych: rozrywka, symulatory lotu/jazdy,
stabilizacja obiektów, manipulacja (przemysł, medycyna), montaż i operacje transportowe (handling), optyka, przemysł
maszynowy.
Szczegóły konstrukcji maszyn równoległych: napędy , mocowania, przeguby.
Sterowanie maszyn równoległych. Pokaz maszyny równoległej skonstruowanej w Katedrze Automatyzacji.
Roboty z równoległą strukturą kinematyczną (z zamkniętym łańcuchem kinematycznym - roboty równoległe)
Zasada działania tego typu robotów opiera się na idei odpowiednio zaprojektowanych ramion robota. Użycie tych ramion pozwala ustawić pozycję i orientację
ruchomej platformy. Roboty te posiadają 3 lub 6 ramion, które wprowadzają odpowiednio 3 lub 6 stopni swobody. Ruchoma platforma jest wyposażona w efektor
który posiada dodatkowy stopień swobody umożliwiający np. obrót. Tego typu roboty znalazły zastosowanie m.in. w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym
oraz elektronicznym. Roboty równoległe w porówaniu do urządzeń szeregowych, wykazują się większą dopuszczalną obciążalnością oraz dużo wyższą
sztywnością. Na ich niekorzyść przemawia mniejsza przestrzeń robocza oraz skomplikowane sterowanie.
Rozwiązania jednostek kinematycznych o bardziej złożonych układach zespołów ruchu lub zwielokrotnionych łańcuchach kinematycznych stanowią zazwyczaj
kombinację wymienionych wyżej struktur.
Klasyfikacja robotów ze względu na sterowanie:
- roboty sekwencyjne: roboty z sekwencyjnym układem sterowania.
- roboty realizujące zadane trajektorie: roboty realizujące ustaloną wcześniej procedurę ruchów, według instrukcji określającej żądane pozycje i prędkość ruchu.
- roboty adaptacyjne: roboty o najbardziej zaawansowanym technologicznie układzie sterowania, pozwalającym na adaptację ruchów robota w zależności od
aktualnej sytuacji, np. roboty wyposażone w czujniki wizyjne, dzięki którym możliwa jest korekta ruchów podczas wykonywania danej czynności. Układy takie
charakteryzują się możliwością zmiany własności, dzięki wykorzystaniu informacji z czujników lub nagromadzonych doświadczeń, planowania zadań lub przez
nauczanie.
- teleoperator - robot ze sterowaniem zdalnym, realizowanym przez operatora lub komputer.
Pierwsze patenty :
Platforma Stewarta - po raz pierwszy przedstawiona w formie papierowej w VE Gough w 1956 roku. Nazwa Stewart została dołączona do tej architektury,
ponieważ wcześniejsze prace Erica Gough były opublikowane w 1965 r. przez D. Stewarta. W tym dokumencie, Stewart prezentuje hybrydowy projekt, na trzech
nogach po dwa silniki na każdej.
Robot równoległy robot, którego człony tworzą zamkniętyłańcuch kinematyczny. Zwykle są to roboty roboty trój- lub sześcioczłonowe, zwane
odpowiednio tripodami orazhexapodami. Istnieją też modele złożone z czterech członów.
Budowa - Poszczególne człony robota równoległego są zazwyczaj krótkie i dzięki temu sztywne. Błędy pozycjonowania w jednym łańcuchu są uśredniane w
połączeniu z innymi, a nie kumulowane jak ma to miejsce w strukturze szeregowej. Wraz ze wzrostem ilości członów, wzrasta też sztywność manipulatora.
Roboty tego typu oferują też zazwyczaj lepszą powtarzalność niż konstrukcje o strukturze otwartej.
Zastosowanie - Roboty równoległe najczęściej stosowane są w symulatorach zarówno lotniczych jak i samochodowych. Są także używane do paletyzacji czy
też operacjach typu pick and place. Istnieją także specjalistyczne konstrukcje wykorzystywane w medycynie czy też biologii (np. do operacji na komórkach).
Zastosowania maszyn równoległych:
�� rozrywka,
�� symulatory lotu/jazdy,
�� stabilizacja obiektów,
�� manipulacja (przemysł, medycyna),
�� montaż i operacje transportowe (handling),
�� optyka,
�� przemysł maszynowy.
Naped -W robotach równoległych stosowane są wszystkie typowe rodzaje napędów, które można znalezć w innych robotach przemysłowych.
-Pneumatyczne nośnikiem energii jest sprężone powietrze.
-Hydrauliczne nośnikiem energii jest ciecz.
-Elektryczne poruszanie członów następuje przy pomocy liniowych siłowników elektrycznych.
Własności robotów równoległych:
+ mała bezwładność (małe zużycie energii)
+ duże prędkości i przyspieszenia ruchu
+ niski koszt wykonania (jednakowe elementy o łatwej konstrukcji
i prostej technologii wykonania)
+ duża sztywność
+ duża przestrzeń robocza
- trudność sterowania ruchem efektora
W13 Mikro i nanoroboty
Manipulacja na poziomie atomów podstawy teoretyczne, Richard Feynman.
Prezentacja wybranych konstrukcji mik ro i nano-manipulatorów, historia rozwoju nanorobotyki, urządzenia mikro -elektro-
mechaniczne (MEMS), zastosowania, koncepcja uniwersalnej mini -fabryki, perspektywy i zagrożenia rozwoju nanotechnologii,
właściwości nanorurek węglowych (grafen).
Układy napędowe nanorobotów, porównanie sił i oddziaływao w nano -skali. Technika obserwacji nanorobotów porównanie
mikroskopów optycznych i elektronowych. Techniki budowy nanostruktur: fotolitografia, wstrzykiwanie jonów, nakładanie
cienkich warstw, mikroskrawanie, mikromontaż, przykłady operacji wykonywanych w skali nano. Klasyfikacja nanorobotów.
Zastosowania: biomanipulacja, budowa obwodów elektrycznych.
Mikroroboty:
Nanoroboty:
Nanomaszyny są obecnie w fazie badao, chod pewne prymitywne molekularne maszyny już przetestowano. Przykładem może byd sensor posiadający przełącznik
wielkości 1.5 nanometra, mogący liczyd specyficzne molekuły w próbce chemicznej. Na Uniwersytecie Rice jako ciekawostkę zademonstrowano
jednomolekułowy samochód wytworzony w procesie chemicznym, mający koła z fulerenów. Uruchamiany jest on przez zmianę temperatury otoczenia i przez
odpowiednie nakierowanie koocówki skaningowego mikroskopu tunelowego.
Rozwój nanotechnologii przewidział ponad 40 lat temu noblista Richard Feynman. W 1959 roku znany fizyk wygłosił wykład pod tytułem "Na dnie jest jeszcze
mnóstwo miejsca" (w druku ukazał się rok pózniej). Uczony twierdził, że w przyszłości ludzie będą potrafili sami układad atomy w taki sposób, by otrzymywad z
nich nowe cząsteczki. - Co chemik zaprojektuje, fizyk mu zbuduje - mówił. Jego pomysł stał się realny w latach 80., kiedy skonstruowano najpierw skaningowy
mikroskop tunelowy, a potem mikroskop AFM (Atomic Force Microscope), wyposażony w sondę do ustawiania atomów.
Skaningowy mikroskop tunelowy (STM od ang. ScanningTunnelingMicroscope) rodzaj SPM, mikroskopu ze skanującą sondą (ang. ScanningProbeMicroscope)
umożliwia uzyskanie obrazu powierzchni materiałów przewodzących ze zdolnością rozdzielczą rzędu pojedynczego atomu. Uzyskanie obrazu powierzchni jest
możliwe dzięki wykorzystaniu zjawiska tunelowego, od którego przyrząd ten wziął swoją nazwę. W rzeczywistości STM nie rejestruje fizycznej topografii próbki,
ale dokonuje pomiaru obsadzonych i nieobsadzonych stanów elektronowych blisko powierzchni Fermiego. Ten sam skrót używany jest do określenia gałęzi
mikroskopii STM (ang. ScanningTunnelingMicroscopy). Poza obrazowaniem struktury atomowej i profilu powierzchni skanowanej próbki, skaningowy
mikroskop tunelowy znajduje inne zastosowania. Eksperymenty z mikroskopem STM doprowadziły do ważnego odkrycia. Jeżeli do igły przyłoży się większe
napięcie niż przy skanowaniu, to może ona oderwad pojedynczy atom z powierzchni próbki i przełożyd go w inne miejsce. W ten sposób możliwa jest obróbka
materiału na poziomie atomowym. Mikroskop STM stał się pierwszym prawdziwym narzędziem nanotechnologii.
Porównanie mikroskopu optycznego i elektronowego
optyczny elektronowy
-powiększa kilka tysięcy razy -powiększa kilka milionów razy
-używa światła -używa elektronów
-powiększa za pomocą soczewek -powiększa komputerowo
-jest względnie mały (zmieści się na stole) -zajmuje dużo miejsca
-pokazuje obraz pozorny -pokazuje obraz rzeczywisty
Wśród pomysłów nanotechnologów znajdują miejsce takie jak
�� Inteligentna mgła zastępująca pasy bezpieczeostwa w samochodzie. Składad się na nią ma mnóstwo małych nanorobotów z haczykami, które w razie
niebezpieczeostwa na drodze chwytają się ze sobą haczykami tworząc gęstą substancję łagodzącą skutki kolizji.
�� Mechaniczny nanokomputer. Komputer oparty na prętach wielkości nanometrów, w którym operacje i stany logiczne są uzyskiwane przez zmianę
położeo tychże prętów.
�� Maszyna do robienia dowolnej rzeczy. Skoro możemy zamieniad miejscami atomy i tworzyd nowe cząsteczki, to możemy kazad nanorobotom wykonad
np. kawałek upieczonego steku wołowego, wystarczy dostarczyd odpowiednio dużo atomów odpowiednich pierwiastków.
Jeżeli kiedykolwiek zostaną zbudowane nanomaszyny, będą mied wiele zastosowao. W medycynie, nanoroboty mogą byd użyteczne do identyfikowania komórek
rakowych i ich niszczenia oraz prawdopodobnie, wprowadzone do organizmu byłyby w stanie znacznie wydłużyd czas życia naszego gatunku likwidując inne
zagrożenia życia (choroby genetyczne) a nawet zapewnid nam nieśmiertelnośd (nieustanie "naprawiając" DNA lecz są to na razie hipotetyczne pomysły). Innym
potencjalnym zastosowaniem, jest detekcja toksycznych chemikaliów i pomiar ich koncentracji w środowisku.
Nanotechnologia w tej postaci nie doczekała się jak na razie realizacji i mimo, że w obecnej chwili jest technologicznie możliwe np. sztuczne syntetyzowanie
białek, to trudno powiedzied, że odbywa się to na gruncie tzw. mechanochemii, w której robot dokleja kolejne aminokwasy do powstającej cząsteczki białka.
Wynika to głównie stąd, że zachowanie materii na poziomie nanometrów kontrolowane jest przez mechanikę kwantową. Nanotechnolodzy-futurolodzy
powołują się na odkrycia technologiczne dokonane w ostatnich latach (np. jednoelektronowy tranzystor, sztuczne atomy kropki kwantowe, fulereny,
nanorurki) jednak sposób ich otrzymywania i zastosowania daleko różnią się od tego, co wyobrażają sobie ortodoksyjni przedstawiciele tego nurtu.MEMS (ang.
Micro Electro-MechanicalSystems), lub też Mikrosystemy, określenie zintegrowanych układów elektro-mechanicznych, których co najmniej jeden wymiar
szczególny znajduje się w skali mikro (0,1 - 100 źm).
Zastosowania mikrosystemów:
-czujniki:
-przyspieszenia (akcelerometry):
w samochodach wykrywanie momentu wypadku (uruchomienie poduszek powietrznych, napinaczy pasów itp.)
w aparatach fotograficznych wykrywanie drgao (stabilizacja obrazu)
w komputerach wykrywanie swobodnego spadania (zabezpieczenie dysku twardego przed uszkodzeniem w momencie upadku)
w nowoczesnych zabawkach
-ciśnienia
reaktory chemiczne
zbiorniki substancji
wibracji
przepływomierze
żyroskopy
pola magnetycznego (wykorzystujące efekt Halla)
-przełączniki optyczne
-rzutniki
-głowice drukarek atramentowych
-elektrody do badania mózgu
-endoskopia
-miniaturowe zegary atomowe
-mikroreaktory chemiczne (Lab-On-Chip)
Właściwości nanorurek
Mechaniczne
Nanorurki są jednymi z najwytrzymalszych i najsztywniejszych znanych materiałów. Wytrzymałośd na rozciąganie nanorurek wielowarstwowych sięga 63 GPa. Dla
porównania, hartowana stal osiąga wytrzymałośd rzędu 1,2 GPa. W połączeniu z niewielką gęstością rzędu 1,3-1,4 g/cmł daje to najlepszy rezultat spośród
znanych ludzkości materiałów.
Nanorurki nie są natomiast wytrzymałe na zgniatanie. Z powodu elastyczności i pustej struktury łatwo wyginają się i odkształcają pod wpływem sił ściskających
lub zginających.
Kinetyczne
W nanorurkach wielowarstwowych wewnętrzne warstwy mogą ślizgad się prawie bez tarcia wewnątrz zewnętrznych, tworząc idealne atomowe łożyska.
Własności te wykorzystano do konstrukcji pierwszych prostych molekularnych mechanizmów: nanorotorów i nanopotencjometrów.
Elektryczne
W zależności od ułożenia linii wiązao wzdłuż albo w poprzek nanorurki, nanorurki mogą byd dobrymi przewodnikami lub półprzewodnikami.
Termiczne
Wszystkie nanorurki znakomicie przewodzą ciepło wzdłuż swojej struktury (dzięki przewodnictwu balistycznemu), natomiast bardzo słabo przewodzą ciepło w
poprzek.
Techniki budowy nanostruktur
Fotolitografia proces pochodzący z technologii półprzewodnikowej polegający na odtworzeniu wzorów fotomasek na podłożu np. półprzewodnikowym. Celem
wykonywania fotolitografii jest uzyskanie pożądanego kształtu powierzchni. Zasada działania fotolitografii jest podobna do litografii w poligrafii.
Nanopowłoki i nanowarstwy na metalach i stopach otrzymuje się stosując metody obróbki powierzchniowej. Niezbędnym warunkiem ich otrzymania jest
odpowiedni dobór parametrów, tak aby dominującym procesem nakładania było tworzenie nowych zarodków, a nie rozrost już istniejących. Można to osiągnąd
minimalizując temperaturę i czas nakładania.
Przykładowe metody otrzymywania nanopowłoki to:
�� wytwarzanie pasywnych warstw tlenkowych
�� osadzanie z fazy gazowej
�� osadzanie elektrolityczne
�� rozdrobnienie ziarna za pomocą odkształcenia plastycznego
�� Wiercenie wysokoobrotowe wiertłem z węglika spiekanego pozwala na otrzymanie otworu o nanokrystalicznej warstwie wierzchniej
�� Skrawanie z dużym odkształceniem W wyniku tego procesu otrzymuje się wióry o średniej średnicy ziarna rzędu 100nm
Mikromontaż
Metoda łączenia, używana głównie w przemyśle półprzewodnikowym, w której elektrycznie przewodzące styki są wykonywane przez zgrzewanie cierne
(zgrzewanie na zimno) np. okienek złączowych na układach scalonych z obudowami lub ścieżkami przewodzącymi poprzez druty przewodzące. Proces
mikromontażu jest często zakłócany przez zanieczyszczenia organiczne, pochodzące z poprzednich operacji technologicznych
zanieczyszczenia te można usunąd
za pomocą plazmy.
Przykłady operacji wykonywanych w skali nano: montaż mikroprocesorów
W14 Zastosowania robotyki w medycynie
Porównanie zdolności człowieka i robota, potencjalne zyski z zastosowan ia robotów: nowe metody leczenia, poprawa
jakości zabiegów chirurgicznych i zmniejszenie liczby powikłań, ograniczenie stopnia inwazyjności zabiegów, zmiana
sposobu wykonywania niektórych badań i uzyskiwania wyników, poprawa jakości dokumentacji medycznej. Rozwój
nanorobotyki.
Obszary zastosowań robotów: chirurgia, badania kliniczne, diagnostyka, częściowe zastępstwo lekarzy/personelu
medycznego, inteligentne protezy sterowane bezpośrednio sygnałami z mózgu.
Prezentacja: robot medyczny DaVinci, protezy końc zyn zintegrowane z właścicielem.
Sterowanie robotami przy pomocy sygnałów z mózgu.
Zastosowania robotyki w medycynie i opiece zdrowotnej
1. Rozwój technologii inteligentnych mikro kapsuł, które mogą podróżowad wewnątrz ludzkiego ciała dozując leki, a także zbierad dane na potrzeby
diagnostyczne lub wykonywad drobne zabiegi chirurgiczne,
2. Zwiększenie ilości precyzyjnych mało inwazyjnych operacji chirurgicznych w trudno dostępnych częściach ciała,
3. Rozwój technologii inteligentnych protez sterowanych myślami pacjenta,
4. Pomoc pacjentom po udarach przechodzącym rehabilitację lub innym z upośledzoną koordynacją ruchową,
5. Rozwój zastosowao robotów do terapii pacjentów umysłowo chorych, pacjentów z zaburzeniami procesów poznawczych i chorobami społecznymi,
6. Rozwój systemów monitoringu pacjentów głównie do zastosowao w terapii domowej, dla starszych ludzi, głównie w krajach z szybko starzejącymi się
społeczeostwami i przeładowanymi systemami opieki zdrowotnej.
Robot da Vinci
Pierwszy w Polsce robot chirurgiczny da Vinci od 2010 roku znajduje się we wrocławskim Wojewódzkim Szpitalu Specjalistycznym. Pierwszym zabiegiem z jego
wykorzystaniem, była operacja 71-letni mężczyzny chorego na raka jelita grubego[47]. Robot wraz z zestawem trzech kompletów narzędzi, pozwalającymi
wykonad około 30 operacji, został zakupiony w ramach grantu naukowego Funduszu Nauki i Technologii Polskiej Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego,
jednak NFZ nie refunduje operacji wykonywanych przy pomocy systemu da Vinci.
Wady i zalety
Stosowanie robotów medycznych w chirurgii umożliwia dokonywanie operacji, które w tradycyjny sposób były niemal niemożliwe do wykonania. Ponadto
pozwala na zwiększenie precyzji, skrócenie czasu operacji i ograniczenie potrzebnego personelu medycznego. Dla pacjentów operacje z wykorzystaniem robotów
wiążą się z mniejszym bólem i szybszym dochodzeniem do siebie po operacji dzięki precyzyjnemu operowaniu przez niewielkie otwory zamiast sporych nacięd.
Nie ma konieczności uszkadzania np. żebra w celu dokonania operacji. Dodatkowo po zabiegu pozostają tylko niewielkie blizny, niepowodujące takiego
dyskomfortu u pacjentów, jak przy klasycznych operacjach. Roboty rehabilitacyjne oferują, nieosiągalną dla człowieka wielokrotną powtarzalnośd działao.
Jednak korzystanie z robotów wiąże się ze sporymi kosztami. Koszt zabiegu z wykorzystaniem znajdującego się w Polsce systemu da Vinci wynosi ok. 15-30 tys. zł,
a po 10 zabiegach trzeba kupid nowy zestaw narzędzi. NFZ nie refunduje operacji przeprowadzanych za pomocą wartego ok 9 mln zł da Vincim[52]. W przypadku
robotów rehabilitacyjnych przy braku odpowiedniego nadzoru, problem może byd brak odpowiedniej interwencji na reakcje pacjenta takie jak ból, czy szybsze
postępy. Roboty, które utrzymują kontakt z pacjentem umożliwiają osiągnięcie lepszych efektów, ale mogą prowadzid do pózniejszych problemów w relacjach
międzyludzkich.
Roboty w chirurgii
Stosowanie robotów w chirurgii zmniejsza czas trwania operacji, czas przebywania w szpitalu i na intensywnej terapii, zmniejsza liczbę i ryzyko komplikacji oraz
utratę krwi. Przy operacjach chirurgicznych głowy i szyi, w porównaniu z tradycyjnymi technikami operacji otwartych lub przeprowadzanych przez jamę ustną,
zastosowanie robotów zmniejsza ryzyko zapadalności na choroby pooperacyjne, czas pozostawania w szpitalu oraz zwiększa możliwośd obserwacji zmian
chorobowych.

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Materialy pomocnicze do testu II Gospodarka finansowa zakl
materiały do syst transportu
GBS materialy do egzaminu VCA
materiały do napraw w instalacji
zakres materiału do chromatografii
Materiały do terminologii więźb dachowych podstawowe pojęcia, cz 1
materiały do koloska
Odpowiedzi do testu 8 poziom podstawowy
Prawo Jazdy w OSK3 Materiały do wykładów6
02 Określanie właściwości materiałów do produkcjiid699
Materialy do cwiczenia 8

więcej podobnych podstron