Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Historia robotyki
Historia robotyki
Automatyka i Robotyka
Automatyka i Robotyka
1947  pierwszy teleoperator sterowany elektrycznie;
1947
1948  teleoperator wykorzystujący sprzężenie zwrotne od
1948
siły;
1949  prace nad maszynami sterowanymi numerycznie;
1949
1954  George Devol projektuje pierwszego
1954
programowalnego robota;
1956  Joseph Engelberger, student fizyki na Columbia
1956
University, kupuje prawa od G. Devola i zakłada
Unimation Company;
1961  pierwszy robot Unimate zostaje zainstalowany w
1961
fabryce General Motors w Trentou, New Jersey;
Agata Nawrocka
Agata Nawrocka
opracowanie pierwszego robota ze sprzężeniem
Katedra Automatyzacji Procesów zwrotnym od siły;
Katedra Automatyzacji Procesów
Akademia Górniczo-Hutnicza 1963  pierwszy system wizyjny na uzytek robota;
Akademia Górniczo-Hutnicza 1963
1 2
1971  opracowanie w Stanford University robota Stanford Arm;
1971
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Historia robotyki c.d.
Historia robotyki c.d.
Definicje robotyki
Definicje robotyki
1973  opracowanie pierwszego języka programowania
1973
Początkowo najbardziej powszechnie akceptowana
robotów (WAVE)  Stanford;
definicja robotyki była zaproponowana w Stanach
1974  opracowanie sterowanego komputerowo robota T3
1974
Zjednoczonych przez RIA (Robotic Industries Association):
przez Cincinnati Milacron;
1975  pierwsze zyski finansowe osiągnięte przez Unimation
1975
Robot jest przeprogramowywanym, wielofunkcyjnym
Inc.;
manipulatorem (lub urządzeniem) zaprojektowanym do
1976  opracowanie systemu RCC do montażu w procesie
1976
przenoszenia materiałów, części, narzędzi, lub
produkcyjnym w Draper Labs, Boston; zastosowanie
wyspecjalizowanych urządzeń za pomocą zmiennych,
przez NASA ramienia robotycznego w kosmosie;
programowanych ruchów do wykonywania wielu zadań.
1978  opracowanie przez Unimation robota PUMA;
1978
1979  opracowanie w Japonii robota SCARA;
1979
1981  pierwszy robot o napędzie bezpośrednim  Carnegie-
1981
Mellon University.
lata 80-te roboty domowe (Roomba), zabawki (Aibo)
lata 80-te
3 4
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Definicje robotyki
Definicje robotyki
Definicje robotyki
Definicje robotyki
Około 1942 roku amerykański pisarz Isaac Asimov w
Słownik wyrazów obcych [PWN, Warszawa 2003]:
opowiadaniu  Zabawa w berka wprowadził trzy prawa
roboty  maszyna lub urządzenie techniczne imitujące
robotyki, które jego zdaniem musiały być przestrzegane
działanie (czasem nawet wygląd) człowieka, odznaczające się
przez roboty:
określonym stopniem automatyzacji [& ].
prawo pierwsze: Robot nie może skrzywdzić człowieka,
ani przez zaniechanie działania dopuścić, aby człowiek
robotyka  nauka zajmująca się projektowaniem i
doznał krzywdy.
zastosowaniem robotów, ich mechaniką i sterowaniem,
prawo drugie: Robot musi być posłuszny rozkazom
robotyka  (ang. robotics) interdyscyplinarna dziedzina
człowieka, chyba że stoją one w sprzeczności z pierwszym
wiedzy działająca na styku mechaniki, automatyki, elektroniki,
prawem.
sensoryki, cybernetyki oraz informatyki. Domeną robotyki są
równie rozważania nad sztuczna inteligencja - w niektórych
prawo trzecie: Robot musi chronić sam siebie, jeśli tylko
środowiskach robotyka jest wręcz z nią utożsamiana.
5 6
nie stoi to w sprzeczności z pierwszym lub drugim prawem.
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Manipulator robotyczny to pojęcie związane z robotyką. Opisuje
Manipulator robotyczny
Chwytak to w robotyce oprzyrządowanie manipulatorów,
"mechaniczne ramię", stosowane głównie w fabrykach samochodów, Chwytak
automatycznych liniach produkcyjnych, fabrykach w których istnieje
robotów, dające możliwość chwycenia i transportu
zagrożenie dla zdrowia ludzi, itp. Inaczej mówiąc, jest to część robota
przedmiotów w zautomatyzowanych czynnościach
pełniąca funkcję ludzkich kończyn górnych. Dla łatwiejszego opisu takiego
precyzyjnych. Chwytak może być wyposażony w narzędzie
ramienia wprowadzone zostały pojęcia: człon automatyki, współrzędne
(np. lutownica, spawarka), umożliwiające realizację
lokalne, współrzędne globalne, kinematyka manipulatora, stopnie swobody
określonych czynności.
oraz notacja Denavita-Hartenberga. Pozwalają one w sformalizowany
sposób opisać budowę manipulatora oraz zależności występujące
pomiędzy kolejnymi elementami składowymi.
Zadania chwytaka:
- uchwycenie manipulowanego przedmiotu z zapewnieniem
Manipulatorem nazywamy układ N ramion połączonych ze sobą
Manipulatorem
mu właściwej orientacji
przegubami, zakończony efektorem (chwytakiem). Pojedyncze ogniwo
- utrzymanie przedmiotu pomimo działających sił
manipulatora zbudowane jest z przegubu oraz następującego po nim
zewnętrznych i przyspieszeń transportowych
ramienia, gdzie przegub zapewnia możliwość ruchu. Każdy przegub
opisywany jest za pomocą współrzędnej wewnętrznej (nastawy) q i przy
- pozostawienie przedmiotu we właściwej orientacji w
czym i = 1, 2, ..., N.
miejscu przeznaczenia
7 8
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Podział chwytaków:
Podział chwytaków:
Robot
Robot
Ze względu na ilość szczęk:
Układ Układ Układ
Układ Układ Układ
- dwuszczękowe o szczękach równoległych, kątowych
zasilania sterowania napędowy
zasilania sterowania napędowy
(rozwarcie do 40�) lub promieniowych (rozwarcie do 180�)
- trójszczękowe
Schemat ogólny robota
Schemat ogólny robota
Ze względu na napęd:
- mechaniczne
zakłócenie
- pneumatyczne
Wielkość
wyjściowa
Urządzenie sterownie Układ
Urządzenie Układ
Ze względu na zasadę działania: sterujące (ROBOT)
sterujące (ROBOT)
- kształtowe
- siłowe
- siłowo-kształtowe
9 Schemat ogólny układu sterowania 10
Schemat ogólny układu sterowania
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Klasyfikacja robotów Klasyfikacja robotów
Klasyfikacja robotów Klasyfikacja robotów
Roboty można podzielić na klasy ze względu na:
A. rodzaj zasilania:
elektryczne,
A. rodzaj zasilania:
pneumatyczne,
B. mobilność:
hydrauliczne;
C. posiadanie nadmiarowości ruchowej:
D. rodzaj zastosowanych przegubów:
B. mobilność:
E. sztywność przegubów i ramion:
stacjonarne,
F. przynależność do generacji robotów:
mobilne;
G. poziom inteligencji (JRA):
H. poziom języka programowania:
C. posiadanie nadmiarowości ruchowej:
nieredundantne,
redundantne;
11 12
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Klasyfikacja robotów Klasyfikacja robotów
Klasyfikacja robotów Klasyfikacja robotów
D. rodzaj zastosowanych przegubów:
G. poziom inteligencji (JRA):
rotacyjne,
urządzenia sterowane ręcznie,
translacyjne,
roboty o stałej sekwencji ruchów,
mieszane;
roboty o zmiennej sekwencji ruchów,
roboty odtwarzające,
E. sztywność przegubów i ramion:
roboty sterowane numerycznie,
sztywne,
roboty inteligentne;
elastyczne;
H. poziom języka programowania:
F. przynależność do generacji robotów:
systemy uczone przez prowadzenie,
I generacji  roboty odtwarzające,
systemy programowane na poziomie robota,
II generacji  roboty wyposażone w system sensoryczny,
systemy programowane na poziomie zadania;
III generacji  roboty wyposażone w system wizyjny,
IV generacji  roboty o sterowaniu adaptacyjnym,
13 14
V generacji  roboty inteligentne;
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Definicje robotyki Klasyfikacja robotów
Definicje robotyki Klasyfikacja robotów
ROBOTYKA - jest to dziedzina nauki i techniki, zajmująca się Istnieje ogólna klasyfikacja robotów, podobnie jak i
ROBOTYKA
wszystkimi problemami dotyczącymi mechaniki, sterowania komputerów, ze względu na ich generacje :
ruchem, sensoryki, inteligencji maszynowej, projektowania,
zastosowań, eksploatacji manipulatorów, robotów i maszyn roboty programowalne  wykonują zawsze jeden i ten
kroczących. sam program wiele razy,
W robotyce mona wyróżnić :
roboty adaptacyjne  wyposażone są w czujniki,
robotyka teoretyczna  jest to teoria robotów i informujące czy określony detal znajduje się na miejscu  w
robotyka teoretyczna
manipulatorów, razie gdy detalu brakuje robot może sam go poszukać,
robotyka przemysłowa  są to zastosowania robotów i
robotyka przemysłowa
manipulatorów w równych dziedzinach życia roboty inteligentne  nie programuje się im faz
robotyka medyczna i rehabilitacyjna wykonania zadania, tylko zadaje się określoną czynność
robotyka medyczna i rehabilitacyjna
robotyka ogólna  są to metody, aspekty ekonomiczne, (zdolne do samoprogramowania ).
robotyka ogólna
socjalne zastosowania robotów.
15 16
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Ruchliwość r - liczba stopni swobody łańcucha
Ruchliwość r -
Parametry opisujące manipulatory i roboty
Parametry opisujące manipulatory i roboty
kinematycznego mechanizmu z unieruchomionym członem -
Liczba stopni swobody
podstawą.
Ruchliwość
n
Manewrowość
r = w - 6 = 6(n -1)-
"ipi
Liczba stopni swobody  liczba zmiennych położenia,
Liczba stopni swobody 
i=1
jaką należy podać w celu jednoznacznego określenia
układu w przestrzeni.
Manewrowość m - liczba stopni swobody łańcucha
Manewrowość m -
5
kinematycznego mechanizmu z unieruchomionymi:
w = 6n -
"ipi podstawą i ostatnim w łańcuchu członem kinematycznym.
i=1
5
Gdzie: w  liczba stopni swobody,
Gdzie:  liczba stopni swobody,
m = r - 6 = 6(n - 2)-
n  liczba członów ruchomych,
 liczba członów ruchomych, "ipi
i=1
pi  liczba połączeń par kinematycznych o i-tej klasie
 liczba połączeń par kinematycznych o i-tej klasie
17 18
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Klasyfikacja robotów Roboty przemysłowe
Klasyfikacja robotów Roboty przemysłowe
Roboty przemysłowe
Najczęściej maja one postać mechanicznego
Roboty militarne
ramienia o pewnej liczbie stopni swobody.
Taki robot o wielkości człowieka jest w stanie
Roboty medyczne
manipulować z ogromną szybkością i
Roboty mobilne
precyzją przedmiotami o wadze do kilkuset
Nano roboty kilogramów. Zwykle są one programowane
do wykonywania wciąż tych samych,
Roboty do rozrywki
powtarzających się czynności, które mogą
wykonywać bezbłędnie przez cała dobę. W
fabrykach pracuje 90% produkowanych
robotów, połowa z tego używana jest przy
produkcji samochodów.
19 20
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Roboty militarne
Roboty militarne
Roboty przemysłowe
Roboty przemysłowe
Dzięki robotyzacji zyskujemy:
Najczęstszym zastosowaniem w tej
dziedzinie jest rozbrajanie bomb.
lepsze wykorzystanie zasobów - roboty zwiększają wydajność
Roboty produkowane do tego celu
kosztownych linii produkcyjnych poprzez zachowanie ściśle
maja postać bardzo stabilnej
zdefiniowanych i szybkich ruchów prowadzące do minimalnych czasów
przestojów maszyn, ruchomej platformy, na której
zamocowana jest kamera i silne
redukcje kosztów pracy - roboty bezpośrednio redukują ilość pracy oraz
z
ródło światła. Robot taki,
usprawniają realizacje trudnych zadań,
kontrolowany zdalnie przez operatora,
jest w stanie rozbroić bombę lub przy
zwiększenie ergonomii i bezpieczeństwa pracowników - roboty
minimalizują wypadki spowodowane powtarzaniem tych samych czynności pomocy manipulatora przenieść ja w
oraz kontaktem z niebezpiecznymi maszynami,
miejsce gdzie detonacja nie wyrządzi
nikomu szkody.
lepsza jakość wyrobów przy mniejszej ilości odpadów - dzięki
powtarzalności, przewidywalności i lepszej kontroli nad spójnością
21 22
procesu.
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Roboty militarne Roboty medyczne
Roboty militarne Roboty medyczne
Zastosowaniem robotów często jest eksploracja
środowisk z jakichś powodów niedostępnych dla
człowieka. Przykładem są roboty przeznaczone do
pracy pod woda  mające postać zdalnie
sterowanych bądz
w większym stopniu
autonomicznych mini-łodzi podwodnych
wyposażonych w kamery i manipulatory.
Istnieją te roboty przeznaczone do operowania w
środowiskach o bardzo silnej radiacji, takie jak
zbudowany na wzór pająka Robug III. Wdzięcznym
dla inteligentnych maszyn zadaniem jest
też eksploracja kosmosu, w czym utwierdziły nas
sukcesy takich konstrukcji jak Sojourner, Spirit oraz
Opportunity przeznaczonych do eksploracji Marsa.
23 24
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Roboty humanoidalne
Roboty humanoidalne
Roboty mobilne
Roboty mobilne
25 26
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Konfiguracja kartezjańska (PPP)
Konfiguracja kartezjańska (PPP)
Klasyfikacja na podstawie własności
Klasyfikacja na podstawie własności
geometrycznych
geometrycznych
Dla manipulatora kartezjańskiego
Konfiguracja kartezjańska (PPP)
zmienne przegubowe są
współrzędnymi kartezjańskimi
Konfiguracja cylindryczna (OPP)
końcówki roboczej względem
podstawy. Biorąc pod uwagę opis
Konfiguracja antropomorficzna (OOO)
kinematyki tego manipulatora jest
on najprostszy spośród wszystkich
Konfiguracja sferyczna (OOP)
konfiguracji. Taka struktura
manipulatora jest korzystna w
Konfiguracja SCARA (OOP)
zastosowaniach głównie do montażu
na blacie stołu oraz do transportu
Manipulatory równoległe o zamkniętym łańcuchu materiałów lub ładunków.
kinematycznym
27 28
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Konfiguracja cylindryczna (OPP) Konfiguracja antropomorficzna (OOO)
Konfiguracja cylindryczna (OPP) Konfiguracja antropomorficzna (OOO)
Pierwszy przegub jest obrotowy i
Do grupy manipulatorów antropomorficznych
wykonuje obrót względem podstawy,
zalicza się te manipulatory które posiadają
podczas gdy następne przeguby są
strukturę składająca się z trzech przegubów
pryzmatyczne. W takiej strukturze
obrotowych. Przedstawiona struktura
zmienne przegubowe są jednocześnie
manipulatorów nosi równie nazwę
współrzędnymi cylindrycznymi końcówki
manipulatorów z łokciem.
roboczej względem podstawy, a
Manipulatory tej klasy posiadają często
przestrzenią roboczą jest niepełny
dodatkowe człony w celu zwiększenia liczby
cylinder.
stopni swobody, jednak jest to konfiguracja
antropomorficzna ponieważ trzy pierwsze
pary kinematyczne licząc od podstawy są
obrotowe.
29 30
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Konfiguracja sferyczna (OOP)
Konfiguracja sferyczna (OOP)
Konfiguracja SCARA (OOP)
Konfiguracja SCARA (OOP)
Konfiguracja sferyczna powstaje z
zastąpienia w konfiguracji
SCARA (Selective Compliant
antropomorficznej trzeciego przegubu
Articulated Robot for Assembly)
obrotowego przegubem
pryzmatycznym. Nazwa tej konfiguracji
Głównym przeznaczeniem tej klasy
wywodzi się stąd, że współrzędne
manipulatorów jest montaż elementów i
sferyczne, określające położenie
podzespołów oraz powtarzalne przenoszenie
końcówki roboczej względem układu
detali oraz ich sortowanie.
współrzędnych o początku w
Strukturę tę równie wykorzystuje się
przecięciu osi z1 i z2, są takie same,
do tworzenia obwodów drukowanych w
jak trzy pierwsze zmienne
elektronice. SCARA posiadając strukturę
przegubowe.
(OOP), różni się od konfiguracji sferycznej
wyglądem jak i obszarem zastosowania.
31 32
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Manipulatory równoległe o zamkniętym
Manipulatory równoległe o zamkniętym
łańcuchu kinematycznym
łańcuchu kinematycznym
Zasada działania tego typu robotów opiera
się na idei odpowiednio zaprojektowanych
ramion robota. Użycie tych ramion pozwala
ustawić pozycję i orientację ruchomej
platformy. Takie roboty posiadają
3 ramiona, które wprowadzają 3 stopnie
swobody. Ruchoma platforma jest
wyposażona w efektor który posiada
dodatkowy stopień swobody umożliwiający
np. obrót.
33 34
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Wady i zalety poszczególnych konfiguracji manipulatorów
Wady i zalety poszczególnych konfiguracji manipulatorów
Klasyfikacja na podstawie budowy jednostki
Klasyfikacja na podstawie budowy jednostki
Konfiguracja Oznaczenie Zalety Wady
kinematycznej
kinematycznej
kartezjańska PPP 3 liniowe napędy, łatwość Wymaga dużego miejsca do pracy
wizualizacji pracy, łatwa w
programowaniu, duża sztywność
Jednostki monolityczne
cylindryczna OPP 2 liniowe napędy + 1 obrotowy Niewykonalne osiągnięcie położenia
pozwala osiągnąć położenie wokół efektora ponad manipulatorem,
Jednostki modułowe
siebie, ruch obrotowy łatwy w niewygodna w omijaniu przeszkód
programowaniu
Jednostki pseudomodułowe
antropomorficzna OOO 3 napędy obrotowe pozwalają Struktura trudna do
omijać przeszkody, stosunkowo programowania, 2 lub 4 sposoby
duża przestrzeń robocza, osiągnięcia pozycji w przestrzeni,
najbardziej skomplikowana
struktura
sferyczna OOP 1 napęd liniowy + 2 obrotowe niewygodna w omijaniu przeszkód,
dają stosunkowo duży zasięg stosunkowo mały zasięg pionowy
poziomy
SCARA OOP 1 napęd liniowy + 2 obrotowe, 2 możliwości osiągnięcia pozycji w
duża sztywność manipulatora, przestrzeni roboczej, trudna do
stosunkowo duża i sterowania, bardzo skomplikowana
nieskomplikowana przestrzeń struktura ramienia.
robocza
35 36
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Jednostki modułowe
Jednostki modułowe
Jednostki monolityczne
Jednostki monolityczne
Do tego typu konstrukcji zalicza się jednostki
kinematyczne złożone zgodnie z potrzebami z
Do tego typu konstrukcji zalicza się
dostarczonych przez producenta gotowych
jednostki kinematyczne o stałej,
zespołów ruchu.
niezmiennej konstrukcji mechanizmu.
Pomimo że producent nie ogranicza możliwych
Producent dostarcza wszystkie
do zestawienia struktur, jednak są one
niezbędne zespoły ruchu wraz
ograniczone przez własności mechaniczne
z efektorem zgodnie z oczekiwaniami
i dynamiczne dostarczonych modułów.
odbiorcy. Przy obecnym rozwoju
Przykładowo odbiorca dostarcza informacji na
techniki należy zauważyć, że jednostki
temat zadanych zakresów ruchu poszczególnych
monolityczne znajdują coraz mniejszą
członów manipulatora, a producent dostarcza
grupę odbiorców ze względu na
odpowiednie moduły wraz z układem zasilania i
wymagania związane z elastycznością
sterowania.
zrobotyzowanych systemów
Jednostki modułowe mogą być bardzo
produkcyjnych.
wygodnym rozwiązaniem ze względów
ekonomicznych oraz technologicznych.
37 38
Automatyka i Robotyka Wykład nr 12 Automatyka i Robotyka Wykład nr 12
Jednostki pseudomodułowe
Jednostki pseudomodułowe
Klasyfikacja ze względu na obszar
Klasyfikacja ze względu na obszar
Do tej grupy konstrukcji zalicza się jednostki zastosowań
zastosowań
o stałej strukturze kinematycznej, ale
dopuszczonej przez producenta możliwości
wymiany przez użytkownika niektórych Roboty spawalnicze
zespołów ruchu, z reguły będących na
końcu łańcucha kinematycznego.
Roboty malarskie
Roboty montażowe
Roboty do przenoszenia materiałów i załadunku palet
Roboty stosowane do obróbki materiałów
Roboty do utylizacji i zabezpieczania odpadów
39 40
41