Pytania z przedmiotu Podstawy robotyki

1. Wyjaśnić, na czym polegają różnice pomiędzy robotami I i II generacji.

Roboty I generacji nie posiadają układów sztucznej inteligencji. Posiadają kompletny mechanizm do szybkiego wykonywania określonych zarań. Roboty II generacji posiadają pętlę sprzężenia zwrotnego od środowiska zewnętrznego, która przekazuje informacje o stanie otoczenia, na podstawie których program sterujący jest modyfikowany (ominięcie przeszkody)

2. Dla jakiej wielkości produkcji zaleca się stosować roboty przemysłowe i dlaczego?

O zastosowaniu robotów decydują dwa aspekty ekonomiczny i techniczny. Względy ekonomiczne nakazują zastosowanie robota tam gdzie produkcja jest mała seryjna ale nie masowa, tam lepiej zastosować zautomatyzowaną linię produkcyjną. Aspekt techniczny nakazuje wykorzystanie robotów w pracach wysoce precyzyjnych lub gdy środowisko pracy jest niesprzyjające zdrowiu i życiu człowieka.

3. Wyjaśnić pojęcia:

• Serwooperator

Serwooperatory to manipulatory sterowane ręcznie bezpośrednio przez użytkownika, stosowane głównie w przemyśle ciężkim.

• Teleoporator

Manipulatory sterowane ręcznie pośrednio przez użytkownika za pomocą pulpitu sterowniczego lub sterowania zdalnego z pewnej odległości, stosowane gdy środowisko pracy nie pozwala na obecność człowieka.

• Robot przemysłowy

Robot przemysłowy jest programowaną wielozadaniową maszyną. Ingerencja człowieka kończy się na etapie programowania. Wykonuje on czynności autonomicznie bez ingerencji człowieka.

4. Na czym polegają metody programowania robota przemysłowego:

• Przy ręcznym sterowaniu punktowym

Jest to rodzaj programowania w którym operator prowadzi element wykonawczy robota od jednego punktu do kolejnego, które są zapisywane są w pamięci za pomocą współrzędnych konfiguracyjnych, a trajektorię ruchu generuje program w oparciu o odpowiednia interpolację.

• Przez bezpośrednie obwiedzenie toru

Jest to metoda, podczas której operator przeprowadza efektor manipulatora po pewnej trajektorii która jest zapisywana do pamięci i odtwarzana później przez manipulator.

• Przez obwiedzenie za pomocą fantomu

Podobnie jak punkt poprzedni z tą różnicą ze zamiast poruszania właściwym manipulatorem wykorzystuje się jego model (fantom) i poruszając jego efektorem kreuje się trajektorię. Zapamiętaną trajektorię wprowadza się do pamięci manipulatora. Te metodę wykorzystuje się gdy np. gdy manipulator jest na tyle ciężki ze podniesienie jego ramienia było by niemożliwe.

5. Omówić połączenie stosowane najczęściej w łańcuchach kinematycznych manipulatorów.

Najczęściej stosowane są pary kinematyczne 5 klasy posiadające 1 stopień swobody. Popularne głównie z powodu prostoty sterowania i wykonania.

6. Ruchliwość otwartych łańcuchów kinematycznych manipulatorów.

Ruchliwość otwarych łańcuchów kinematycznych określa się za pomocą liczby stopni swobody. Liczbę stopni swobody możemy określić ze wzoru
, gdzie n - liczba członów ruchomych, p - liczba połączeń różnego rodzaju.

7. Podstawowe struktury manipulatorów robotów.

Manipulatory mogą wykonywać trzy rodzaje ruchów: globalne - wynikają z ruchów podstawy manipulatora, regionalne - służą do wypracowania pozycji końcówki, lokalne - służą do wypracowania orientacji końcówki.

8. Omówić cechy chwytaków siłowych i kształtowych.

Chwytak siłowy działa na zasadzie nacisku na przedmiot przenoszony i dzięki siłom tarcia blokowania stopni swobody przenoszonego przedmiotu. Chwytanie kształtowe są tak dopasowane do geometrii przenoszonego przedmiotu by bez wywierania nacisku lub małego nacisku przenosić przedmiot. Takie chwytaki stosuje się, kiedy nasz przedmiot przenoszony może być łatwo zniszczony przez wywieranie na niego siły.

9. Omówić napędy stosowane w chwytakach manipulatorów.

W chwytakach najczęściej stosowane są napędy pneumatyczne ze względu na szybkość działania oraz elektryczne ze względu na prostotę sterowania i łatwość zastosowania.

10. Omówić podstawowe cechy napędów pneumatycznych i zakres ich stosowania w robotach.

Napęd pneumatyczny jest głównie stosowany w manipulatorach około 47% współcześnie produkowanych maszyn. Zaletą takiego napędu jest prostota konstrukcji w realizacji ruchu liniowego, duża własna sztywność konstrukcyjna, możliwość pracy w trudnych warunkach oraz relatywnie niska cena.

11. Omówić podstawowe cechy napędów hydraulicznych i zakres ich stosowania w robotach.

Napędy hydrauliczne posiadają dużą sztywność ze względu na małą ściśliwość płynu, bardzo dobre właściwości dynamiczne (dobry stosunek sił i momentów czynnych do bezwładności), małą masę przypadającą na jednostkę mocy, łatwość sterowania, małą wrażliwość na zmiany odciążenia i przeciążenia, dużą trwałość. Jednak napęd ten ma również wady które spowodowały że napędy te nie są tak powszechnie stosowane: mniejsza sprawność, zmiana właściwość pod wpływem temperatury, wrażliwość na zanieczyszczenia, możliwość występowania przecieków.

12. Omówić rodzaje silników elektrycznych stosowanych w napędach manipulatorów i zakres ich stosowania w robotach.

Napędy elektryczne: Wraz z rozwojem silników elektrycznych wzrastał poziom użycia tego rodzaju napędu w robotyce. Głównie stosowanymi są silniki prądu stałego (serwojednostki), silniki krokowe, dzięki którym można łatwo przeprowadzać ruchy liniowe oraz sterować prędkością. Coraz bardziej popularne staja się silniki prądu przemiennego dzięki zastosowaniu falowników do regulacji prędkości. Zaletą napędu elektrycznego jest tanie przetworzenie energii, możliwość zamontowania sterowania poza układem manipulatora, prosty sposób doprowadzenia energii do silnia, duża odporność na zanieczyszczenia oraz małe rozmiary.

13. Wyjaśnić zasady działania czujników cyfrowych:

• Bezwzględnych

Czujniki bezwzględne przewyższają czujniki przyrostowe tym, że potrafią od razu po włączeniu powiedzieć, w którym przedziale kwantyzacji się znajdują, przez co działają o wiele szybciej mają jednak bardziej skomplikowaną budowę.

• Przyrostowych

Czujniki przyrostowe wymagają zadeklarowania punktu odniesienia, od którego to zliczają ilość działek kwantyzacji i na tej podstawie podają wielkość mierzoną. Jak sama nazwa wskazuje mierzą one przyrost wielkości mierzonej.

14. Wyjaśnić pojęcia przestrzeni roboczej i konfiguracyjnej manipulatora.

Przestrzeń robocza manipulatora to przestrzeń opisana za pomocą współrzędnych kartezjańskich, przestrzeń konfiguracyjną zaś opisujemy za pomocą współrzędnych konfiguracyjnych mierzonych za pomocą czujników umieszczonych na manipulatorze.

15. Wyjaśnić pojęcia: toru i trajektorii końcówki manipulatora robota.

Tor to zbiór linia, po której porusza się końcówka manipulatora w przestrzeni, trajektoria zaś to wyrażenie tego toru wraz z podaniem czasu przemieszczenia, czyli prędkości przyspieszenia.

16. Operator przekształcenia jednorodnego oraz jego zastosowanie (algebra przekształceń)

Operatorem tym jest macierz współczynników wiążących ze sobą współrzędne według pierwszego układu współrzędnych z tymi samymi współrzędnymi, ale opisanym w odniesieniu do innego układu współrzędnych. Dzięki tej macierzy możemy zapisywać współrzędne końcówki manipulatora przedstawiony w takim układzie współrzędnym, aby łatwo można było określić położenie w odniesieniu do układu bazowego

17. Wyjaśnić pojęcia prostego i odwrotnego zadania kinematyki manipulatora.

Proste zadanie kinematyki polega na znalezieniu (obliczeniu) pozycji oraz orientacji członu wykonawczego manipulatora na podstawie współrzędnych konfiguracyjnych.

Zadanie odwrotne kinematyki polega na zadaniu dokładnie odwrotnym a wiec na podstawie współrzędnych kartezjańskich określić współrzędne konfiguracyjne manipulatora. To zadanie jest o tyle trudniejsze ze proste zadanie kinematyki ma zawsze jedno rozwiązanie to odwrotne zadanie kinematyki może mieć tych rozwiązań nieskończenie wiele.

18. Omówić parametry Denavita-Hartenberga.

W notacji Denavita Hartenberga wyróżniamy 4 parametry:2 opisujące człon (długość i kąt skręcenia) oraz 2 opisujące połączenie (odsunięcie i kąt konfiguracyjny), 3 z tych parametrów zawsze są stałe natomiast 4 zmienia się w wyniku działania napędu.

19. Na czym polega analiza kinematyki manipulatora (zadanie proste) z wykorzystaniem notacji Denavita-Hartenberga.

W robotyce jednym ze sposobów wyznaczenia położenia poszczególnych ogniw manipulatora jest użycie notacji Denavita-Hartenberga (D-H). Metoda ta jest bardzo prosta w zastosowaniu oraz w implementacji w programie komputerowym i pozwala opisać prawie każdy otwarty łańcuch kinematyczny. W celu zastosowania tej metody na początku wyznacza się macierze przejścia pomiędzy kolejnymi elementami łańcucha.

20. Wymienić metody rozwiązywania odwrotnego zadania kinematyki manipulatora.

Odwrotne zadanie kinematyki możemy realizować w dwojaki sposób. Po pierwsze z zależności trygonometrycznych co jest dość uciążliwe lub stosując wyznacznik Jakobiego. Jeżeli jakobian jest odwracalny to mając wektor współrzędnych kartezjańskich to mnożąc ten wektor przez odwrócony jakobian otrzymujemy wektor współrzędnych konfiguracyjnych (odwrotne zadanie kinematyki)

21. Omówić pojęcie jakobianu manipulatora i jego wykorzystanie w analizie:

• Kinematyki

Jakobian to macierzowy sposób przedstawienia pochodnych. Pozwala on na powiązanie wektora prędkości konfiguracyjnych z prędkościami kartezjańskimi. Jeżeli jakobian jest odwracalny to mając wektor współrzędnych kartezjańskich to mnożąc ten wektor przez odwrócony jakobian otrzymujemy wektor współrzędnych konfiguracyjnych (odwrotne zadanie kinematyki)

22. Na czym polega planowanie trajektorii manipulatora:

• W przestrzeni roboczej

Planowanie trajektorii w tej przestrzeni polega na określaniu, w jaki sposób mają zmieniać się współrzędne kartezjańskie przy przejściu końcówki manipulatora z punktu A do B

• W przestrzeni konfiguracyjnej

Podobnie jak wyżej z tym że określamy jak mają się zmieniać współrzędne konfiguracyjne podczas przejścia od punktu A do B

23. Jakie metody interpolacji wykorzystuje się najczęściej w procedurach planowania trajektorii manipulatora w przestrzeni Konfiguracyjnej?

Wyróżniamy interpolację liniową, która jest łatwa opisania matematycznego, ale wymaga osiągnięcia dużych momentów przez napęd, ponieważ przy tej interpolacji prędkość powinna zmieniać się skokowo do pewnej wartości. Kolejną metodą interpolacji jest interpolacja z zaokrągleniami parabolicznymi gdzie prędkość zmienia się liniowo jednak przyspieszenie powinno zmieniać się skokowo. Trzecim sposobem interpolacji jest interpolacja przy użyciu splajnów, czyli krzywymi wyższego stopnia, jest to najłagodniejszy sposób interpolacji nie wymagający rozwijania tak dużych momentów, jednak najtrudniejsze do zaprogramowania.

24. Wyjaśnić pojęcie parametryzacji czasem toru końcówki manipulatora.

Parametryzacja to sposób przypisywania czasu do trajektorii.

---