Robot–urządzenie przeznaczone do realizacji niektórych czynności manipulacyjnych lub lokomocyjnych człowieka, mające pewien określony poziom inteligencji maszynowej.
"Manipulacyjny robot przemysłowy jest automatycznie sterowaną, programowaną, wielozadaniową maszyną manipulacyjną o wielu stopniach swobody, posiadającą własności manipulacyjne lub lokomocyjne, stacjonarną lub mobilną, dla ważnych zastosowań przemysłowych".
to taki robot, który może dowolnie zmieniać swoje położenie w przestrzeni. Roboty tego rodzaju mogą pływać, latać lub jeździć. Roboty mobilne mogą być robotami autonomicznymi tzn. takimi których prawie nic nie ogranicza np. przewody sterujące bądź zasilające (a jedyne ograniczenia to np. ściany lub przestrzeń w jakiej się znajdują itp.).
część mechaniczna, czyli maszyna przeznaczona do realizacji niektórych funkcji kończyn górnych człowieka.
Robotyka jest interdyscyplinarną dziedziną nauki. Wykorzystuje wiedzę z:
-Teorii Sterowania i Automatyki,
-Mechaniki,
-Elektroniki,
-Sztucznej inteligencji i Informatyki,
-i wielu innych dziedzin nauki i techniki.
Przykłady operacji technologicznych wykonywanych przez roboty przemysłowe:
•klejenie
•malowania
•oprawianie
•obróbka laserowa
•montaż
•spawanie
•zgrzewanie
•lutowanie
•obróbka skrawaniem
•paletyzowanie
•operacje manipulacyjne
Roboty spawalnicze
Spawanie ręczne:
wysoko wykwalifikowani pracownicy
szkodliwe dla zdrowia
małe niedoskonałości mogą być przyczyną poważnych awarii
Współczesne roboty spawalnicze:
prędkości do 8m/s, dokładność 1mm, powtarzalność 0,1mm, 6-100kg udźwigu
Realizacja zaprogramowanych ruchów
Systemy wizyjne –spawanie wieloma ściegami
Duże zakresy ruchów, możliwość realizowania skomplikowanych trajektorii przy zapewnieniu właściwej orientacji –7 stopni swobody
Montaż i składanie
Współczesne roboty do prac montażowych:
powtarzalność 0,5mm, 100-300kg udźwigu
praca w systemie trójzmianowym –typowy czas pomiędzy awariami 50000h
duże moce (typ. 5kW) wymagane do zapewnienia krótkiego czasu podczas transportu od punktu do punktu
programowanie off-line: wymaga realistycznej symulacji
Stacjonarne
Szeregowa struktura kinematyczna
- kartezjańska (PPP)- roboty z prostokątnym układem współrzędnych i prostopadłościenną przestrzenią ruchu - jest to najprostsza spośród wszystkich konfiguracji. Taka struktura manipulatora jest korzystna w zastosowaniach do montażu na blacie stołu oraz do transportu materiałów lub ładunków.
- cylindryczna (OPP)- roboty z jednym obrotowym i dwoma liniowymi zespołami ruchu - charakteryzują się walcowym układem współrzędnych i cylindryczną przestrzenią ruchu. W takiej strukturze zmienne przegubowe są jednocześnie współrzędnymi cylindrycznymi końcówki roboczej względem podstawy, a przestrzenią roboczą jest niepełny cylinder. Nazywane są także robotami bramowymi lub suwnicowymi.
- SCARA (OOP)- roboty z trzema osiami równoległymi - dwoma o ruchu obrotowym i jedną o ruchu postępowym. Głównym przeznaczeniem tej klasy manipulatorów jest montaż elementów i podzespołów oraz powtarzalne przenoszenie detali i ich sortowanie (np. paletyzacja produktów). Strukturę tę wykorzystuje się także do tworzenia obwodów drukowanych w elektronice. SCARA posiadając strukturę (OOP), różni się od konfiguracji sferycznej wyglądem jak i obszarem zastosowania.
- PUMA
- sferyczna (OOP)- roboty posiadające jeden liniowy oraz dwa obrotowe zespoły ruchu.
- przegubowa- roboty, których wszystkie 3 osie są osiami obrotowymi. Roboty o takiej konfiguracji mogą być wykorzystywane przy operacjach montażowych, polerowaniu, lakierowaniu różnego rodzaju detali.
Równoległa struktura kinematyczna
- hexapod
- tripod
- delta
- 3(RRR), 3(RPR), 3(PRR)
antropomorficzny- przegubowy- wszystkie trzy obrotowe (jak wyżej)
kartezjański- wszystkie trzy postępowe (jak wyżej)
Robot to układ składający się z:
-zespołów mechanicznych i napędów:
powodując ruch organów roboczych robota o wymaganych jakościowo i ilościowo parametrach, integrują elementy konstrukcji mechanicznej w jedną całość
-układów pomiarowych:
składa się z sensorów (czujników) oraz może zawierać dodatkowe komponenty takie, jak: filtry, wzmacniacze, modulatory, separatory i inne układy kondycjonowania sygnału pomiarowego
kondycjonowanie sygnału- obróbka sygnałów wyjściowych tak, aby mogły być użyte do sterowania
sensory- są to narzędzia, które poddane działaniom zjawisk fizycznych (temperatury, przemieszczenia, siły i itp.) wytwarzają proporcjonalny sygnał wyjściowy (elektryczny, mechaniczny, magnetycznych i itp.). Służą do zbierania informacji o otaczającym środowisku i stanie zespołów konstrukcyjnych i napędów robota.
-efektorów (np. chwytaków): (za ich pomocą robot może wpływać na otoczenie)
zapewniają bezpośrednie współdziałanie robota z obiektem manipulacji:
Chwytaki i przyssawki
Końcówki spawalnicze, do zgrzewania
Końcówki malarskie
Narzędzia specjalistyczne: wiertarki, wkrętarki i itp.
-układów zasilania:
stanowi najczęściej osobne urządzenie wykonane w postaci wolno stojącej szafy.
Napęd hydrauliczny: zasilacz hydrauliczny (zbiornik, pompę, filtry i często układ chłodzenia i grzania oleju) oraz niezbędny osprzęt hydrauliczny.
Napęd elektryczny: tyrystorowe lub tranzystorowe układy zasilania silników lub układy prostownikowe oraz przemienniki częstotliwości (falowniki), a także niezbędne układy przekaźnikowe.
-sterowania
(szafa sterownicza) ze względów bezpieczeństwa obsługi oraz wygody napraw jest odsunięty od robota i znajdują się poza przestrzenią jego działania.
Pulpit sterowniczy
- Włącznik zasilania silników
- Przełącznik trybu pracy:
-praca automatyczna (ciągła),
-praca w trybie sterowania ręcznego z ograniczeniem prędkości ruchu,
-praca w trybie sterowania ręcznego bez ograniczeń.
Przenośny sterownik ręczny - jest urządzeniem przypominającym duży pilot, który służy do programowania i sterowania robotem.
Jednostki sterująco-logiczne(komputery)
Układy wejścia-wyjścia(interfejsy)
Przycisk Stopu Awaryjnego
Włącznik zasilania
Układ zasilania
Najczęściej można wyróżnić następujące podstawowe układy, stanowiących odrębne zespoły:
-zespół ruchu (jednostkę kinematyczną): czyli podstawowy mechanizm robota wraz z dołączonymi napędami, czujnikami i kocówką roboczą (efektorem),
-układy zasilania napędów i końcówki roboczej,
-układ sterowania.
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 porównaniu do urządzeń szeregowych, wykazują się większą dopuszczalną obciążalnością oraz dużo wyższą sztywnością. Na ich niekorzyść przemawia mniejsza przestrzeń robocza oraz skomplikowane sterowanie.
jazda po trudnym terenie
przenoszenie ładunków
Specjalistyczne
•Przestrzeń kosmiczna
•Rurociągi
•Przewody wysokiego napięcia
•Krater wulkanu
•Zawalone budowle
Główna przestrzeń robocza to przestrzeń, w obrębie której przemieszcza się konstrukcyjne zakończenie ostatniego, wolnego, ale nierozdzielnie związanego z mechanizmem jednostki kinematycznej członu, z reguły sprzęgu chwytaka.
Pomocnicza przestrzeń roboczą to przestrzeń, w obrębie której przemieszczają się dodatkowe (opcyjnie) człony, np. ruchu lokalnego oraz wymienne chwytaki i narzędzia.
Przestrzeń kolizyjną to przestrzeń, w obrębie której zawierają się wszystkie elementy konstrukcyjne i przemieszczają się wszystkie zespoły ruchu (człony mechanizmu jednostki kinematycznej).
Przestrzeń manipulacyjna to przestrzeń, w obrębie której konstrukcyjne zakończenie ostatniego, wolnego, ale nierozdzielnie związanego z mechanizmem jednostki kinematycznej członu, z reguły sprzęgu chwytaka, może osiągnąć dowolną pozycje i orientacje.
polega na wyznaczeniu (obliczeniu) pozycji i orientacji członu roboczego robota (manipulatora).
Dla danego zbioru współrzędnych konfiguracyjnych zadanie proste kinematyki polega na wyznaczeniu położenia efektora względem podstawy. Polega na zamianie współrzędnych konfiguracyjnych na współrzędne kartezjańskie.
polega na wyznaczeniu wszystkich możliwych zbiorów współrzędnych konfiguracyjnych, umożliwiających osiągnięcie zadanej pozycji i orientacji członu roboczego robota (manipulatora).
Zadania układu sterowania:
1. Reagowania na polecenia użytkownika (operatora)
2. Włączanie i wyłączanie napędów dwustanowych
3. Sterowanie w całym zakresie przemieszczeń
pozycjonowanymi zespołami ruchu
4. Koordynacja i sterowanie podsystemów składowych
stanowiska pracy robota
5. Wybór podprogramu do realizacji w zależności od
sygnałów wejściowych
zadaniem układu sterowania jest określenie sygnału sterowania, który należy podjąć wobec systemu (robota), aby otrzymać z góry założone właściwości. Sygnał sterujący zostaje wygenerowany na podstawie posiadanych danych o tym systemie. W przypadku robota zadaniem układu sterowania jest takie generowanie sygnałów sterujących aby układ osiągnął żądaną pozycję i orientację w przestrzeni uwzględniając omijanie przeszkód, kontrolując przy tym podstawowe parametry kinematyczne i dynamiczne.
Programowanie przez nauczenie jest najbardziej rozpowszechnioną metodą programowania manipulatorów.
Za pomocą sterownika ręcznego steruje się silnikami manipulatora tak, aby ustawić manipulator w określonej pozycji punkcie. Układ sterowania zapamiętuje szereg takich punktów. Odtwarzany automatycznie ruch jest od punktu do punktu (jest to programowanie dyskretne).
Czasem wymagane jest, aby końcówka robocza manipulatora poruszała się w sposób płynny (ciągły) po
skomplikowanej krzywej. Do opisu takiego ruchu wykorzystuje się krzywe, lub bardzo gęsto położone punkty w przestrzeni. Taki rodzaj programowania nazywamy ciągłym.
I generacja: sekwencyjne, przez nauczenie przez operatora. Brak modelu środowiska zewnętrznego.
II generacja: przez nauczenie przez operatora z elementami adopcyjnymi. Szukanie pozycji ze sprzężeniem zwrotnym.
III generacji: w języku naturalnym o ograniczonej liczbie słow. Model środowiska zewnętrznego. Wybór i optymalizacja programów na podstawie modelu.
zamknięty układ sterowania (układ automatyki, układ regulacji) ze sprzężeniem zwrotnym, w którym sygnałem wyjściowym jest pewna mechaniczna wielkość taka jak położenie, prędkość czy przyspieszenie. Często jest to po prostu przesunięcie.
Roboty z serwo są sterowane poprzez wykorzystanie czujników, które w sposób ciągły monitorują osie robota, oraz powiązane z nimi komponenty pozycji i prędkości. Sprzężenie zwrotne jest porównywane z wcześniej zapisanymi informacjami, które zostały zaprogramowane i zmagazynowane w pamięci robota.
Serwonapędy zapewniają stabilne położenia w dowolnych punktach całego zakresu przemieszczeń. Są to układy programowej lub nadążnej regulacji położenia.
Jest to określona dokładność z jaką robot wykonuje operację umiejscowienia organu roboczego w przestrzeni roboczej, gdy pozycja ta zostaje podana we współrzędnych przestrzeni roboczej, które są następnie przeliczane na współrzędne konfiguracyjne.
określa jak blisko manipulator może dojść do uprzednio osiągniętej pozycji.
Istotne są również własności dynamiczne robotów/manipulatorów:
Płynny ruch,
Możliwość realizacji skomplikowanych trajektorii (np. poprzez interpolacje),
Dobre tłumienia drgań,
Niezawodność.
Interpolacja jest procesem generowaniem drogi. Istnieją wiele różnych schematów interpolacji wykorzystywanych przez roboty do przemieszczenia się z jednego punktu do drugiego.
Przegubowa – ruch każdej z osi kończy się w momencie dojechania do wybranego punktu
Prostoliniowa – ruch odbywa się po torze zbliżonym do linii pomiędzy dwoma punktami
Kołowa – ruch odbywa się po torze zbliżonym do okręgu
Spline – ruch odbywa się po krzywych opisanych
A-Spline – krzywa przechodzącą po stycznej przez zaprogramowane punkty pomocnicze. Stosowana wówczas, gdy szczególnie istotne są gładkie przejścia przez punkty pomocnicze.
B-Spline – zaprogramowane punkty nie są punktami pomocniczymi, lecz tylko punktami kontrolnymi. Powstała krzywa nie przechodzi przez punkty kontrolne, lecz w ich pobliżu. Każdemu punktowi kontrolnemu można przyporządkować wagę, określającą zdolność "przyciągania" krzywej przez punkt kontrolny.
C-Spline – przebiega przez punkty pomocnicze przechodzą po stycznej lub w sposób łukowy. Stosowana wówczas, gdy są wymagane przejścia krzywych po łuku. Jest najbardziej znaną i najczęściej stosowaną interpolacją typu Spline.
Zalety:
duża szybkość działania
wykorzystanie cieczy praktycznie nieściśliwej jako czynnika roboczego, umożliwiające uzyskanie wysokiej
stabilności prędkości w przypadku znacznych zmian obciążeń, dużej dokładności pozycjonowania i znacznej częstotliwości nawrotów
bezstopniowa regulacja prędkości elementu wyjściowego napędu
bardzo dobre własności dynamiczne wynikające z korzystnego stosunku sił (momentów) czynnych do mas (momentów bezwładności)
mała masa przypadająca na jednostkę mocy
łatwość sterowania
możliwość uzyskiwania małych prędkości ruchu elementu wykonawczego bez konieczności stosowania przekładni
spokojny i płynny ruch
mała wrażliwość na zmiany obciążenia i przeciążenia
duży współczynnik wzmocnienia mocy (ponad 1000), wysoki współczynnik sprawności przy różnych sposobach regulacji
duża trwałość (elementy napędu są smarowane przez czynnik roboczy)
Wady:
konieczność stosowania układów zasilających (zasilaczy hydraulicznych), co wobec wymagań mobilności
i autonomiczności robotów może znacznie zwiększać jego masę
mniejsza sprawność, większy koszt energii niż w przypadku napędów elektrycznych
głośna praca, szczególnie przy dużych prędkościach obrotowych i ciśnieniach
wrażliwość na zanieczyszczenie czynnika roboczego
możliwość występowania przecieków, ograniczających stosowanie w niektórych procesach produkcyjnych
niemożliwe zastosowanie robotów z takim napędem w środowisku zagrożonym pożarem lub wybuchem
ograniczona trwałość cieczy roboczej, co powoduje konieczność jej wymiany
zakres temperatur pracy cieczy roboczej jest ograniczony (150°C), co uniemożliwia eksploatację napędu w środowisku z podwyższoną temperaturą
Zalety:
prosta i niezawodna konstrukcja,
duża prędkość elementu wyjściowego napędu (przemieszczenia liniowe do 1 m/s, prędkości obrotowe do 60 obr/min)
możliwość użycia sprężonego powietrza z zakładowej sieci o ciśnieniu 0,5-0,6 MPa
proste sterowanie sekwencyjne (pozycjonowanie odbywa się za pomocą nastawnych zderzaków)
wystarczająca dokładność pozycjonowania w punktach określonych przez położenia sztywnych zderzaków
możliwość pracy w środowisku agresywnym i zagrożonym pożarem
duży współczynnik sprawności (do 0,8)
mały stosunek masy napędu do uzyskiwanej mocy
mały koszt napędu i całego robota oraz małe nakłady
związane z eksploatacją,
odporność na przeciążenia i wibracje
Wady:
niestałość prędkości członu wyjściowego napędu w przypadku zmian obciążeń, spowodowana ściśliwością czynnika roboczego
ograniczona liczba punktów pozycjonowania (najczęściej dwa punkty) w napędach ze sterowaniem cyklicznym; zwiększenie liczby punktów pozycjonowania wymaga stosowania urządzeń pozycjonujących o specjalnej konstrukcji
konieczność wyhamowania członu wyjściowego napędu w końcowej fazie ruchu, ponieważ przy dużych
prędkościach jego uderzenie o twardy zderzak powodowałoby znaczne przeciążenie dynamiczne
głośna praca napędu
Zalety:
mały koszt uzyskiwanej energii i proste doprowadzenie energii do silników, niezmienność parametrów pracy
zwarta konstrukcja silników i małe wymiary urządzeń sterujących
cicha praca (niski poziom szumu i wibracji)
brak zanieczyszczenia otoczenia
bezpieczeństwo pracy (stopień ochrony wg PN-92/E-08106)
duża szybkość działania i wysoka dokładność przemieszczeń (dzięki zastosowaniu cyfrowych układów
pomiarowych z czujnikami impulsowymi o dużej dokładności)
eksploatacja bez nadzoru i obsługi w przypadku niewielkiej liczby zabiegów konserwacyjnych (zwłaszcza,
gdy są użyte silniki bezszczotkowe)
Wady:
ograniczoną trwałość szczotek w komutatorach silnika prądu stałego
ograniczone wykorzystanie w środowiskach zagrożonych wybuchem
występowanie dodatkowych przekładni między silnikiem elektrycznym i elementem wykonawczym robota
wysoka sprawność
wysoka dokładnością przenoszenia ruchu
bezluzowość
małe momenty bezwładności wirujących mas
dużą sztywność skrętna
prasa śrubowa
podnośnik
imadło
napęd posuwu obrabiarek
odciągi, sprzęgi i mocowania z śrubą rzymską
regulowany wieszak do szafek kuchennych
opaska zaciskowa ze śrubą
zamiana ruchu obrotowego na ruch postępowy (tak jak w podnośniku samochodowym)
Przekładnia harmoniczna
◦ Duże przełożenie
◦ Bez luzu
◦ Wysoka precyzja
◦ Mała liczba części i łatwość montażu
◦ Lekkie,
◦ Wysoki moment obrotowy
◦ Wysoka wydajność,
◦ Cicha praca bez wibracji
Zastosowanie:
głównie w robotach przemysłowych
obrabiarkach
maszynach drukarskich
w produkcji półprzewodników,
w urządzeniach pomiarowych,
wyposażeniu medycznym,
mikrotechnologii,
zastosowaniach wojskowych, lotniczych,
kosmicznych itp.
przekładnie kierownicze
Wewnętrzne koło zębate ma mniej zębów od zewnętrznego koła zębatego. Eliptyczny dysk wewnątrz elastycznego koła zębatego rozciąga wew. Koło zębate powodując zazębienie tylko niektórych zębów pomiędzy kołem zew a wew.
Resolver jest to urządzenie służące do pomiaru kąta. Podobny do małego silnika elektrycznego. Stojan ma dwa uzwojenia ustawione pod kątem prostym, a wirnik jedno uzwojenie, z którego odczytywany jest sygnał.
Enkoder inkrementalny generuje na wyjściu sygnał impulsowy. Rozdzielczość określa ilość impulsów generowanych na jeden obrót enkodera. Im jest większa tym mniejsze przesunięcia kątowe można zmierzyć. Enkoder inkrementalny nie pamięta aktualnego położenia, generuje jedynie impulsy, które mogą być zliczane przez zewnetrzny sterownik czy układ wykonawczy.
Enkoder absolutny pozwala natomiast zapamiętywać aktualną pozycję nawet po wyłączeniu napięcia zasilania. Enkoder absolutny generuje na wyjściu sygnał kodowy. Każdemu położeniu kątowemu osi odpowiada konkretna wartość kodowa na wyjściu, przy czym istnieją enkodery absolutne jednoobrotowe i wieloobrotowe. Jednoobrotowe rozróżniają pozycje tylko w zakresie jednego obrotu. Enkodery wieloobrotowe generują sygnał wyjściowy informujący zarówno o pozycji kątowej jak również i o liczbie wykonanych obrotów.
Czujniki ultradźwiękowe wykorzystują propagacje energii akustycznej w wyższych częstotliwościach niż normalnie słyszalne (ponad 20 człowieka do pozyskiwania informacji o otoczeniu.
Działanie czujników ultradźwiękowych polega na wykrywaniu obecności obiektu w wiązce ultradżwiękowej wysyłanej przez czujnik. Obiekty wprowadzane do wiązki uktradźwiękowej z dowolnego kierunku, powoduja zmianę sygnału wyjściowego w momencie gdy znajduja się one w zakresie załączenia czujnika. Wyjście może być typu łączeniowego lub analogowego. W przypadku wyjścia analogowego zakres załączania odpowiada napięciu 0-10 V. Poniżej rysunek przedstawia podstawowe parametry czujników ultradźwiękowych.
Wśród układów sensorycznych dotyku wyróżnić można:
- czujniki stykowe
Współcześnie w czujniki stykowe wyposażone są chwytaki robotów i manipulatorów przemysłowych dzięki którym można między innymi:
- zabezpieczyć chwytak przed kolizją
- wykrywać obecność przedmiotu w chwytaku i na stanowisku składowania
- wyszukać wolne miejsce na stanowisku składowania
- przetworniki siły i naprężeń
Zastosowanie w budowie i wyposażeniu chwytaków przetworników siły i naprężeń jest ważne z następujących powodów:
- umożliwia określenie bardzo ważnych interakcji między przedmiotem manipulowanym a chwytakiem. Pomaga to w sterowaniu maksymalną siłą chwytaka, pozwala nie dopuścić do uszkodzeń manipulowanego przedmiotu
- przetwornik siły umożliwia określenie niektórych współrzędnych pozwalających na orientację przedmiotu
- w przypadku teleoperatorów sterowanych przez człowieka sprężenie zwrotne od siły uchwytu umożliwia człowiekowi bardziej precyzyjne manipulowanie
- przetworniki dotykowe (sztuczna skóra)
Zastosowanie ich w chwytakach pozwala na dostosowanie siły chwytu do rodzaju manipulowanego przedmiotu.
Do podstawowych zadań takich układów należą zadania zastępujące zmysł dotyku, które związane są z:
1) pomiarami i sterowaniem parametrami:
- chwytania w przypadku wykonywania przez manipulatora zadań transportowych
- obróbki w przypadku wykonywania przez manipulatora zadań technologicznych
2) rozpoznanie obiektu manipulacji:
- wykrywanie obecności obiektu manipulacji
- rozpoznanie położenia obiektu manipulacji
3) pomiarami umiejscowienia obiektu manipulacji
4) zabezpieczeniem chwytaków przed kolizją
Sensory dotyku umieszczone są na wewnętrznej stronie szczęk chwytaka manipulatora i celem ich jest zetknięcie się chwytaka z przedmiotem i zawiadomienie o tym układu sterowania.