Podstawy robotyki

Podstawy robotyki (część pierwsza) - wykład 15h (egzamin)

Literatura:

Podstawowa:

 T. Buratowski: Podstawy robotyki, Wyd. AGH, 2006.

J.Honczarenko: Roboty Przemysłowe. WNT, 2004.

R. Zdanowicz: Podstawy robotyki, laboratorium robotów przemysłowych, Wyd. Politechniki Śląskiej 2003.

 

Uzupełniająca:

Praca zbiorowa: Podstawy robotyki, Teoria i elementy manipulatorów i robotów, WNT, 1999.

M. Olszewski: Manipulatory i Roboty Przemysłowe. WNT, W-wa. 1993. 

J.J. Craig: Wprowadzenie do robotyki. WNT, W-wa 1993.

A. Morecki, J., Knapczyk: Podstawy robotyki. WNT, W-wa 193.

G. Pritschow: Technika sterowania obrabiarkami i robotami przemysłowymi.

R. Tadeusiewicz: Systemy wizyjne robotów przemysłowych, WNT 1992.

Problematyka związana z rozwojem kolejnych generacji robotów.

• struktura, kinematyka i dynamika maszyn manipulacyjnych;

• systemy lokomocyjne;

• budowa urządzeń i algorytmów sterowania;

• wyposażenie chwytaków i narzędzi maszyn manipulacyjnych w przetworniki pomiarowe; - systemy wizyjne wraz z metodami i algorytmami rozpoznawania obrazu środowiska (sztuczny wzrok, dotyk i inne zmysły (pomiar temperatury, ciśnienia, składu chemicznego itp.);

• układy typu człowiek-maszyna;

• sztuczna inteligencja (AI);

• analiza systemów organizacyjnych i technicznych procesów wytwarzania pod kątem automatyzacji czynności manipulacyjnych i produkcyjnych;

• analiza aspektów socjalnych i ekonomicznych zastosowań techniki robotyzacyjnej.

DEFINICJE

Robotyka

- dyscyplina naukowa zajmująca się teorią, realizacją i stosowaniem maszyn cybernetycznych lokomocyjno-manipulacyjnych [Olszewski].

- zajmuje się projektowaniem robotów, ich mechaniką, układami percepcji i inteligencji maszynowej oraz ich zastosowaniem [Encyklopedia Powszechna].

Przedmiotem zainteresowania robotyki jest zastosowanie robotów w badaniach naukowych, szeroko pojętej technice, budownictwie, transporcie, rolnictwie, medycynie, badaniach podwodnych i w przestrzeni kosmicznej [Morecki].

Robotyzacja - działanie mające na celu automatyzację pracy produkcyjnej za pomocą maszyn manipulacyjnych.

Robotyka teoretyczna - zajmuje się zagadnieniami kinematyki, dynamiki, optymalizacji sterowania, adaptacyjności, zastosowania sztucznej inteligencji - systemów eksperckich, algorytmów genetycznych, metod logiki rozmytej, sieci neuronowych, metod optymalizacyjnych, itp., w kontekście robotyki.

Robotyka ogólna - zajmuje się ekonomicznymi, socjalnymi, społecznymi aspektami robotyki. Ważnym zagadnieniem są prace z dziedziny standaryzacji terminologii i oznaczeń.

Robotyka metrologiczna - dotyczy zautomatyzowanych i zrobotyzowanych pomiarów, inspekcji i diagnostyki.

Robotyka przemysłowa - zajmuje się zastosowaniem robotów w przemyśle elektromaszynowym, spożywczym, papierniczym, szklarskim, chemicznym, w energetyce i innych.

Maszyna cybernetyczna Lokomocyjno-Manipulacyjna - urządzenie techniczne przeznaczone do częściowego lub całkowitego zastępowania energetycznych funkcji ruchowych człowieka, związanych z przemieszczaniem się w środowisku oraz przemieszczaniem w środowisku obiektów.

Manipulator [Olszewski] - maszyna manipulacyjna sterowana automatycznie za pomocą mechanizmu napędowo sterującego lub sygnałów generowanych w stało-programowym układzie sterowania, odpowiednio w funkcji: czasu i/lub położenia elementów jej mechanizmu oraz niekiedy stanu środowiska roboczego wykonująca powtarzalny, zamknięty cykl ruchów manipulacyjnych o określonych konstrukcją parametrach statycznych, dynamicznych i energetycznych.

Manipulator [Zdanowicz] - jest to maszyna przeznaczona do realizacji niektórych funkcji górnej kończyny człowieka.

Robot [Olszewski] - maszyna manipulacyjna sterowana automatycznie za pomocą sygnałów generowanych w programowalnym układzie sterowania, odpowiednio w funkcji: czasu i/lub położenia elementów jej mechanizmu oraz parametrów ruchu i/lub stanu środowiska roboczego, programowana: ręcznie i/lub przez nauczanie, wykonująca najczęściej powtarzalny, ale mogący ulec zmianie odpowiednio do zmiany programu, stanu środowiska lub podanej informacji, cykl ruchów manipulacyjnych i/lub lokomocyjnych o określonych konstrukcją lub programowalnych parametrach.

Robot [ISO ITR 8373] - jest automatycznie sterowaną, programowalną, wielozadaniową maszyną manipulacyjną o wielu stopniach swobody, posiadającą właściwości manipulacyjne i lokomocyjne, stacjonarną lub mobilną, stosowaną do różnych celów: przemysłowych i specjalnych.

Cechy charakterystyczne robota:

• posiada pewną autonomię;

• posiada zdolności sprawcze;

• redukuje koszty wytwarzania;

• zwiększa precyzje i produktywność;

• zwiększa elastyczność;

• pozwala na uwolnienie człowieka od wykonywania prac uważanych za nudne, powtarzalne, niebezpieczne;

• może pełnić funkcje reprezentacyjne.

Robot przemysłowy [ Zdanowicz] - jest to manipulator wielofunkcyjny o kilku stopniach swobody przeznaczony do przenoszenia materiałów, części, narzędzi lub specjalnych urządzeń, wykonująca różne programowalne ruchy w celu realizacji określonych zadań.

Serwooperator - (sterowany bezpośrednio operator ręczny) - maszyna sterowana przez bezpośrednie, ręczne przemieszczanie wybranych elementów jej mechanizmu lub dodatkowo elementów operatorskich, wzmacniająca parametry energetyczne ruchów lokomocyjnych i manipulacyjnych człowieka.

Teleoperator - (sterowany pośrednio operator ręczny) - maszyna sterowana przez pośrednie, ręczne przemieszczanie wybranych elementów pomocniczego mechanizmu sterującego i/lub elementów operatorskich, względnie za pomocą instrukcji informatycznych wprowadzonych do układu sterowania, uruchamianych zdalnie (np. za pomocą pilota) przez operatora.

Fantom - kinematyczny duplikat lub model jednostki kinematycznej maszyny manipulacyjnej, wyposażony przeważnie tylko w układy pomiarowe parametrów ruchu.

Maszyna krocząca - urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji wybranych funkcji lokomocyjnych zwierząt i owadów posiadających kończyny lub odnóża.

Pedipulator - zespół kończyn dolnych maszyny kroczącej.

Inteligencja systemu - właściwość systemu umożliwiająca zrozumienie przyczyn powstania pewnego stanu oraz wykorzystanie tych spostrzeżeń do uczenia się systemu.

Sztuczna inteligencja - jest to interdyscyplinarna dziedzina nauki, zajmująca się metodami wyciągania zadowalających pod względem poprawności wniosków na podstawie niepełnej i niepewnej informacji oraz nie ugruntowanej wiedzy.

Interdyscyplinarny charakter AI wynika z faktu, łączenia się w jej obrębie zagadnień z dziedziny informatyki, psychologii, antropologii, matematyki, elektroniki, neurofizjologii i filozofii.

Uczenie się systemu - proces zmiany struktury, organizacji lub właściwości systemu adaptacyjnego, wywołany z reguły powtarzającymi się bodźcami, w celu osiągnięcia skutecznego zachowania się systemu.

Kanony robotyki [Isaac Asimov]:

0. Robot nie może szkodzić ludzkości, ani nie może, przez zaniedbanie, narazić ludzkości na szkodę.

1. robot nie może ingerować w działanie człowieka, oprócz tych działań, które szkodzą człowiekowi,

2. robot musi być posłuszny rozkazom wydanym przez człowieka, oprócz tych rozkazów, które są sprzeczne z pierwszym kanonem,

3. robot musi chronić swoją egzystencję, oprócz tych przypadków, które są sprzeczne z pierwszym i drugim kanonem.

Historia robotyki

1917	-	Słowo robot pojawiło się po raz pierwszy w literaturze, użyte w sztuce "Opilek" Czeskiego pisarza Karel'a Ĉapka.
1938	-	Issac Assimov umieszcza termin robotyka w swojej noweli  science-fiction i formułuje Trzy Kanony Robotyki.
1947	-	Opracowanie pierwszego teleoperatora z serwonapędem elektrycznym
1948	-	Opracowanie teleoperatora ze sprzężeniem zwrotnym od siły.
1954	-	Zaprojektowanie pierwszego programowalnego robota przez Georg'a Devola.
1954	-	pojawiają się pierwsze mobilne roboty przemysłowe. Pierwszy na świecie wózek elektryczny bez kierowcy, wyprodukowany przez Barrett Electronics Corporation rozpoczął przenoszenie ładunków w magazynie sklepu spożywczego w South Carolina.
1956	-	Zakupienie praw do robota Devola i założenie firmy Unimation przez Josepha Engelbergera, studenta fizyki na Uniwersytecie Columbia.
1958	-	Pierwszy prototyp robota Unimate zainstalowany w fabryce General Motors.
1958	-	Jack Kilby buduje pierwszy obwód scalony.
1960	-	Zespół sztucznej inteligencji w Stanfordzkim Instytucie Badawczym w Kalifornii i Uniwersytet w Edynburgu w Szkocji rozpoczynają pracę nad zastosowaniem wizji w robotach.
1961	-	Pierwszy seryjny robot Unimate zainstalowany w fabryce General Motors w Trenton w stanie New Jersey.
1963	-	John McCarthy uruchamia Laboratorium AI na Stanford University.
1963	-	Opracowanie pierwszego systemu wizyjnego dla robota.
1964	-	Pierwszy robot malarski Tralfa pracujący w fabryce w Norwegii.
1965	-	Powstaje Instytut Robotyki na Cornegie-Mellon University - wiodące centrum rozwoju w dziedzinie AI.
1966	-	Automatyczny lądownik księżycowy "Surveyor" ląduje na księżycu.
1968	-	Na Uniwerstytecie South Carolina powstaje pierwszy robot kroczący sterowany komputerowo.
1969	-	W Unimate General Motors rozpoczęto montaż nadwozi Chevrolet'a Vega przy pomocy robotów Unimate.
1971	-	Opracowanie robota Stanford Arm na Uniwersytecie Stanford.
1971	-	powstanie pierwszego mikroprocesora.
1972	-	Na Uniwersytecie w Nottingham w Anglii stworzono SIRCH, układ zdolny do rozpoznawanie dowolnie zorientowanych dwuwymiarowych części.
1972	-	Kawasaki instaluje zrobotyzowaną linie produkcyjną w zakładach Nissan, roboty zostały dostarczone przez firmę Unimation.
1973	-	Opracowanie pierwszego języka programowania robotów (WAVE) na Uniwersytecie Stanford.
1974	-	Wprowadzenie do sprzedaży przez firmę Cincinnati Milacron Corporation robota ze sterowaniem komputerowym.
1974	-	Hitachi prezentuje robota Hi-T-Hand używającego czujników dotykowych i siłowych pozwalających na wkładanie sworzni do otworów.
1975	-	Odnotowanie pierwszego zysku finansowego przez firmę Unimation.
1976	-	Tralfa robot malarski zostaje zaadaptowany do spawania kątowego.
1979	-	Wprowadzenie robotów SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) w Japoni.
1980	-	Robert Quinn I Roy Ritzmann budują 6-cio nożnego robota - owada.
1981	-	IBM wprowadza na rynek komputer osobisty IBM/PC.
1982	-	Robot Pedesco zostaje użyty do usunięcia skażonego materiału po wycieku paliwa radioaktywnego z elektrowni nuklearnej.
1984	-	Zostaje opracowany PROWLER, pierwszy z serii robotów militarnych.
1985	-	Japonia staje się liderem w rozwoju, budowie i zastosowaniu urządzeń zrobotyzowanych.
1986	-	Firma Lego wraz z naukowcami z MIT produkuje pierwszy zestaw klocków edukacyjnych.
1989	-	WL12RIII - pierwszy robot który przy poruszaniu się wykorzystuje do stabilizacji ruchy tułowia. Wykonanie 1 kroku zajmuje mu 0.64 s.
1990-...	-	Nowa strategia militarna - inteligentna broń zdolna do rozpoznawania obrazów, z zaawansowanymi systemami śledzenia, identyfikacji i destrukcji.
1990-...	-	Wiarygodny system identyfikacji ludzi, wykorzystujący technologię rozpoznawania obrazu i głosu.
1990-...	-	Naukowcy zaczynają skupiać się na budowie małych, inteligentnych i użytecznych robotów zamiast drogich i ciężkich maszyn homoidalnych.
1992	-	Powstaje koncepcja robota prześwietlającego pacjenta promieniami X w poszukiwaniu nowotworów i dostarcza odpowiednią dawkę promieniowania na wykryte guzy.
1994	-	Robot Dante II schodzi do czynnego krateru na Antarktydzie.
1994	-	Pierwszy lot Predatora - bezzałogowego samolotu zwiadowczego.
1997	-	Gary Kasparow przegrywa z superkomputerem Deep Blue (IBM).
1997	-	Robot mobilny Sojourner ląduje na Marsie 4 lipca.
1998	-	Skonstruowanie pierwszego bionicznego ramienia.
2000	-	W Zabrzu rozpoczynają się prace nad pierwszym polskim robotem medycznym.
2004	-	Epson prezentuje najmniejszy na świecie zrobotyzowany helikopter Micro Flying Robot z funkcją kamery.
2006	-	Norwegowie budują robota o budowie węża (Anna Konda), przydatnego mi. w akcjach ratowniczych.
2006	-	Południowokoreański robot strzegący granicy (systemy wizyjne + broń maszynowa).
2006	-	Microsoft wydaje platformę programistyczną Microsoft Robotics Studio. Ułatwia programowanie robotów nie tylko wirtualnych.
2007	-	Brytyjczycy poinformowali o powstaniu robota który potrafi „odczuwać” emocje.
2007	-	Opatentowano system Smart Camera (obraz przetwarzany jest już przez samą kamerę).
2007	-	Naukowcy z Colorado skonstruowali miniaturowe bezzałogowe pojazdy latające (UAV), które tworząc roje, łączą się w powietrzną sieć umożliwiającą śledzenie burz i huraganów.

Klasyfikacja robotów

Podział wg przeznaczenia:

• do celów przemysłowych,

• do celów badawczych (podwodnych, eksploracja kosmosu, wulkanów,..),

• do celów wojskowych (rozpoznanie, wykrywanie min, strzeżenie granic, eksploracja, bunkrów,...),

• do celów medycznych,

• do celów szkoleniowych,

• do celów metrologicznych, inspekcyjnych i diagnostycznych,

• usługowe,

• ...

Podział wg budowy:

Jednoramienne i wieloramienne;

Jednolite i modułowe

Podział ze względu na sposób instalacji:

• Stacjonarny (podłogowy lub podwieszony),

• Na wózku samojezdnym,

• Zintegrowany z urządzeniem technologicznym,

• Gantry.

Konstrukcje typu GANTRY

Podział ze względu na program:

• Stałoprogramowe,

• Program dyskretny (PTP - Point To Point),

• Ciągła trajektoria (CP - Continuous Path),

• Inteligentne (układy sensorowe + układy decyzyjno adaptacyjne).

Klasyfikacja robotów przemysłowych (Zdanowicz)

Podział przemysłowych maszyn lokomocyjno-manipulacyjnych.

maszyna manipulacyjna

sterowana ręcznie

serwooperator

teleoperator

sterowana automatycznie układ sterowania

otwarty (w funkcji

robot manipulator czasu)

układ sterowania

I generacji (programowany, nauczany) zamknięty

(w funk. położenia)

programowany ręcznie

programowany przez nauczanie

za pomocą języka programowania

II generacji za pomocą sterowania ręcznego

(inteligentny, nauczający się)

przez obwiedzenie toru

przemieszczeniami mechanizmu maszyny

III generacji przemieszczeniami fantomu maszyny

(integralny, programowany poprzez

podanie zadania)

Podstawowe zespoły funkcjonalne robota.

- zespół mechaniczno-kinematyczny (warunkuje ruchy robota w jego obszarze roboczym);

- zespół chwytaka (spełnia podobną rolę jak dłoń człowieka).

- zespół sterowania (jak w OSN);

- zespół napędowy (fizycznie realizuje poszczególne ruchy robota we wszystkich osiach);

- zespół pomiarowy (stanowi układ czujników: położenia, prędkości ruchu i przyśpieszenia);

- zespół czujników (stanowi układ czujników służący do rozpoznania położenia).

Wzajemne usytuowanie zespołów robota przemysłowego

Dobór robotów

1) badania kinematyczne:

- przestrzeń ruchu jednostek kinematycznych;

- błąd pozycjonowania;

- dokładność odtwarzania zaprogramowanego toru narzędzia;

- minimalne przemieszczenia poszczególnego zespołu ruchu;

- przemieszczenia po sygnale STOP;

- dokładność synchronizacji ruchu jednostki kinematycznej względem zadanego ruchu

innego urządzenia;

- czas przemieszczania;

- prędkość;

2) badania dynamiczne:

- siły uchwycenia przez standardowe chwytaki;

- siły wytwarzane przez układy napędowe zespołów;

- siły obciążające operatora podczas programowania przez obwiedzenie toru ruchu;

- dopuszczalne siły obciążeń zewnętrznych przykładanych do poszczególnych punktów

mechanizmu jednostki kinematycznej;

- podatność jednostki kinematycznej na drgania;

- wartości sił wzbudzające drgania o określonej amplitudzie;

- zmiany wartości amplitudy i liczby okresów drgań po usunięciu wymuszenia

siłowego;

3) badania eksploatacyjne:

- pobór energii;

- wpływ zmian warunków zasilania na układ sterowania;

- wpływ zewnętrznych zakłóceń elektromagnetycznych na pracę układu sterowania;

- poziom emisji wytwarzanego hałasu;

- poziom emisji ciepła;

- odporność na zapylenie, wysoką wilgotność, drgania i inne czynniki zewnętrzne.

Zależność wymaganych przez proces produkcyjny parametrów i sposobu sterowania ruchem maszyny manipulacyjnej

1 - Błąd pozycjonowania [mm]:

a) duży > 1

b) średni 0.2 * 1

c) mały < 0.2

2 - Prędkość ruchu [m/s]:

a) mała < 0.1

b) średnia 0.1 * 1

c) duża > 1

3 - Stopniowanie prędkości podczas pozycjonowania:

a) jednostopniowa

b) wielostopniowa

c) bezstopniowa

4 - Rodzaj toru ruchu:

a) punktowy

b) liniowy

c) krzywa zdefiniowana

d) krzywa niezdefiniowana

5 - Program sterowania ruchem

a) ciągły

b) nieciągły

c) losowy

Wymagania

1

2

3

4

5

proces

a

b

c

a

b

c

a

b

c

a

b

c

d

a

b

c

obsługa obrabiarki

x

x

x

x

x

x

paletyzacja

x

x

x

x

x

x

zgrzewanie punkt.

x

x

x

x

x

montaż

x

x

x

x

x

czyszczenie odlewów

x

x

x

x

x

hartowanie

x

x

x

x

x

x

x

badanie rentgenograf.

x

x

x

x

x

x

x

x

malowanie

x

x

x

x

x

cięcie gazowe

x

x

x

x

x

spawanie

x

x

x

x

x

x

szlifowanie

x

x

x

x

x

polerowanie

x

x

x

x

x

odlewanie

x

x

x

x

x

Sposoby programowania robotów przemysłowych

1. Pośrednie:

• wprowadzanie danych na ekran monitora;

• języki bezpośredniego programowania;

• języki pośredniego programowania;

• programowanie za pomocą grafiki;

• sprzężenie z układami CAD.

B) Bezpośrednie:

• odwzorowanie i zapamiętanie położeń robota (teach in);

• ręczne wprowadzanie przy wyłączonych napędach (playback);

• ręczne prowadzenie ramienia pomocniczego.

Języki wyższego poziomu programowania robotów przemysłowych

zalety:

- możliwość prostego opisu specyficznego zadania;

- prosta obsługa programu przez personel nie przeszkolony w technice elektronicznego

przetwarzania danych;

- łatwe wykonywanie czynności kontrolnych i korygujących;

- krótki czas programowania;

- łatwość rozbudowy.

Przykłady:

- język AL (Assembly Language) powstał na bazie języka Algol.;

- język Autopass (Automated part assembly system) na bazie języka PL/1;

- język Robex (Roboter exapt) stanowi zastosowanie języka programowania

automatycznego OSN EXAPT do sterowania robotów.

Porównanie różnych sposobów programowania

Rodzaj programowania	Zalety	Wady	Główne zastosowania
Poprzez wstępne przejście (playback) lub poprzez najazd na punkty	- łatwe do nauczenia; - małe wymagania co do mocy obliczeniowej komputera	- duże zapotrzebowanie pamięci w metodzie playback; - złe możliwości korekty; - złe możliwości doku- mentowania; - programowanie bezpo- średnie; - zwiększone koszty związane z wyłączaniem urządzenia z produkcji;	- malowanie; - zgrzewanie punktowe; - manipulowanie ręczne.
Z zastosowaniem języka programowania	- dobra dokumentacja; - względnie prosty opis złożonych przebiegów logicznych; - prosta korekcja; - programowanie pośrednie, z dala od maszyny.	- konieczność znajomości języka programowania; - duże wymagania co do mocy obliczeniowej komputera.	- montaż; - spawanie spawem ciągłym

prostokątny

4 - 8

3 - 4

Uniwersalny

Prosty

Specjalizowany specjalny

Robot przemysłowy

Program

Sterowanie numeryczne

Napęd

Układ

pomiarowy

łańcuch kinematyczny

---------------------------------------

chwytak

obiekt

czujniki

cylindryczny

sferyczny

hydrauliczny

elektryczny

pneumatyczny

<20

20-150

150-500

500-1000

>1000

otwarty

Ze sprzężeniem zwrotnym

adaptacyjny

Sztywny

I generacji

Elastyczny

II generacji

Elastyczny

III generacji

dwupołożeniowy

Programowanie typu PTP

cyfrowa

analogowa

Programowanie CP

mieszana

Stopień złożoności

łańcucha

kinematycznego

Liczba stopni swobody

Układ współrzędnych

Rodzaj napędu

Udźwig

Programowanie

Rodzaj sterowania

System sterowania

Struktura informacji

Układ wykonawczy

Układ sterowania

---