HISTORIA ROBOTYKI ( mitologia i nie tylko z punktu widzenia robotyki)

Warto wiedzieć, że swojsko brzmiące w naszych uszach słowo robot jest rzeczywiście słowiańskiego pochodzenia. Użył go po raz pierwszy czeski pisarz Karel Ćapek w utworze "R.U.R" (1920) opisując fantastyczne maszyny naśladujące człowieka. Roboty Ćapka były bardzo prymitywne, a jednocześnie poglądy autora na ich budowę i zachowanie budziły rozbawie­nie nawet u współczesnych mu inżynierów. Sam termin robot został jednak przyjęty entuzjastycznie (czego dowodem mogą być niezliczone utwory z gatunku science fiction) i jest obecnie używany na całym świecie do o­znaczania automatów manipulujących. Historia robotów jest jednak znacznie starsza. Już w mitologii greckiej pojawia się opis dwóch "złotych dzie­wic" zbudowanych przez protoplastę wszystkich techników - kulawego boga Hefajstosa. Te metalowe figury miały chodzić, śpiewać i usługiwać ucztującym, jak to opisuje między innymi Homer w Iliadzie (VIII w. p.n.e.). Nawet z punktu widzenia dzisiejszej techniki wykonanie takich automatów nie byłoby proste, było to więc nie lada "osiągnięcie technicz­ne".

Pozostając w kręgu "dokonań" literackich warto odnotować szeroko znana historię Golema - sztucznego człowieka (podobno glinianego),którego (według żydowskiej legendy) ożywił i obdarzył dusza praski rabin Loewe ben Bezalela. Rabin był postacią historyczna, znane są nawet daty jego urodzin i śmierci (1525 - 1609), natomiast jak to było z tym Golemem - kto to wie? A swoja droga, to w literackich wizjach robotów Czesi odegra­li znacznie większa rolę, niż w ich budowie ...

Za pierwsze udokumentowane, ręką ludzka wykonane roboty uznać na­tomiast można tańczące figurki, napędzane sprężonym powietrzem wytwarza­nym pod wpływem ciepła ognia ofiarnego na ołtarzu. Zbudowane zostały oko­ło 100 r. p.n.e. przez genialnego konstruktora greckiego imieniem Heron, działającego w Aleksandrii, stolicy ówczesnego Egiptu i nieoficjalnej intelektualnej stolicy całego świata starożytnego. Warto tylko przypom­nieć słynna Bibliotekę Aleksandryjską, chlubę rządzącej Egiptem dynastii Ptolomeuszy oraz słynne Muzeum, nazywane tak od Muz - boginek sztuki i nauki. Był to zresztą raczej swoisty instytut naukowy (z obserwatorium astronomicznym, ogrodem zoologicznym i botanicznym), a nie - jak to się obecnie uważa - instytucja gromadząca i przechowująca zbiory z różnych dziedzin. W Aleksandrii za czasów Herona był więc klimat sprzyjający pracy naukowej, przy czym warto podkreślić, że chociaż w Muzeum i w Biblio­tece prym wiedli filozofowie oraz - .jak byśmy ich dziś nazwali ­- humaniści, to jednak "nauki techniczne" były także doceniane, być może znacznie bardziej niż dzisiaj, w dobie osławionej rewolucji naukowo - technicznej. Obok Herona, którego uważano za niemal półboga (herosa) czczono także architekta Sostratesa z Knidos, budowniczego latarni morskiej­ wyspie Faros, zaliczanej do 7 cudów świata, by nie wspomnieć o autentycznie religijnym kulcie budowniczego Imhotepa. Dziś, kiedy dokonania­ techników autentycznie przeobrażają świat, a mimo to większość huma­nistów odnosi się do nich ze wzgardliwą wyższością, warto może wspomnieć o tamtych czasach ...

Figurki Herona, podobnie jak wiele innych automatów tego genialnego konstruktora, służyły celom kultowym. Polewały one winem ofiary płonące na ołtarzu świątyni i wykorzystywane były do wróżb. Kolejne automaty człekokształtne budowano też dla potrzeb świątyni lub do celów roz­rywkowych (na przykład pochodząca z około setnego roku naszej ery mecha­niczna głowa Herberta Akwitańskiego lub szeroko opisywany w eposach rycerskich mechaniczny człowiek Alberta Wielkiego). Rozwój sztuki zegarmis­trzowskiej przyniósł kolejne osiągnięcia. Jeszcze w XVII wieku szwajcars­cy zegarmistrzowie Jacques i Mdre Drozowie budowali nakręcane mechaniczne lalki o zadziwiająco szerokim zakresie możliwości ruchowych. Poruszały one całym tułowiem, rękami, nogami, głową, zginały palce, a nawet potrafiły wykonywać skoordynowane skomplikowane ruchy (na przykład pisały u­stalone wyrazy). Niektóre były tak skonstruowane, że imitowały oddychanie, poruszały oczami, zamykały powieki i naśladowały mimikę twarzy. Jeśli poszukujemy najbardziej antropomorficznych automatów - to z pewnością powinniśmy na czołowych miejscach listy usytuować dzieła XVII­ - wiecznych szwajcarskich zegarmistrzów!

Po wieku mechanizmów sprężynowych przyszedł wiek pary. Nic dziwne­go, że w 1893 roku J. Noore zbudował "parowego człowieka" o wysokości 2 metrów, który palił cygara. Kolejny wiek nazwano wiekiem elektryczności, więc także elektryczne było następne pokolenie człekokształtnych robotów. Z bardziej znanych wymienić można zbudowanego w 1930 roku (w Czechosłowacji) "człowieka - maszynę", pokazywanego w Londynie "robota mówiącego" (1933) oraz robota amerykańskiego, który zdobył ponurą sławę, ponieważ w 1933 roku zabił swego konstruktora.

WSPÓŁCZESNE ROBOTY

Obecnie także są budowane człekokształtne roboty - głównie jako atrakcje różnego rodzaju wystaw, targów i kongresów. Znane są japońskie roboty, których specjalnością są występy artystyczne (zbudowano całą zrobotyzowaną rewię!), a także radzieckie roboty pełniące rolę przewodników po wystawie technicznej lub amerykańskie roboty występujące w filmach ("Gwiezdne wojny", "Imperium kontratakuje" itd.). Były to jednak (i są nadal) tylko zabawki.

Nie są natomiast zabawkami znacznie mniej malowniczo wyglądające, ale za to bardziej użyteczne, tak zwane roboty przemysłowe. Poszukując dla nich biologicznej analogii możemy odwołać się do ręki człowieka, którą te roboty w pewnym stopniu zastępują, a nawet poniekąd przypominają.

Ocenia się, że obecnie produkuje się około 500 typów robotów przemysłowych. Istnieje dzisiaj ponad 350 firm produkujących roboty, przy czym dość charakterystyczna jest ich rozmieszczenie geograficzne: 250 spośród tych firm zlokalizowanych jest na Dalekim Wschodzie (głównie w Japonii), ponad 60 w Europie i niespełna 40 w USA. Warto może ten fakt odnotować, gdyż istnieje powszechne przeświadczenie o technologicznej hegemonii USA, co akurat w omawianej tu dziedzinie nie znajduje potwier­dzenia. Podobnie kształtują się proporcje, jeśli idzie o liczbę zainsta­lowanych robotów. Przykładowo z danych dla 1986 roku wiemy, że w Japonii działało ponad 70 tys. robotów, w Europie 28.212, w USA zaś niespełna 20 tys. Aktualne dane wskazują na utrzymywanie się tych proporcji. Od lat sześćdziesiątych datuje się szybki rozwój badań nad robotami, które swój początek brały z połączenia numerycznie sterowanych maszyn i mechanicznych układów teleoperacji. Według "Słownika wyrazów obcych" PWN'u (Warszawa1971), robot to automat zbudowany w kształcie człowieka i naśladujący jego ruchy, lub automat wykonujący określoną pracę, a samo słowo pochodzi z języka czeskiego. Manipulator zaś to słowo wywodzące się z języka średniowieczno-łacińskiego od słowa "manipulus" - wykonuję coś, a określa: urządzenie do manipulowania określonymi przedmiotami stosowane w pracach zmechanizowanych, lub przyrząd do manipulowania próbkami izotopów promieniotwórczymi, zastępujący ręce, stosowane dla ochrony pracownika przed promieniowaniem. Podobnie słowa te definiuje encyklopedia jednotomowa PWN (wyd. ósme Warszawa 1982). Jednak najpełniejszą definicję słowa robot podaje Międzynarodowa Federacja Robotyki, która to określa mianem robota, automatycznie sterowaną, programowaną, wielozadaniową maszynę manipulacyjną o wielu stopniach swobody; posiadającą właściwości manipulacyjne i lokomocyjne, stacjonarną lub mobilną, stosowaną do różnych celów: przemysłowych i specjalnych.

Robot przemysłowy składa się z:

-mechanicznego manipulatora

-systemu sterownia i programowania

Elementem wykonawczym robota przemysłowego jest manipulator mechaniczny, którego struktura kinematyczna decyduje o możliwych kształtach

trajektorii ruchu efektora i kształtach przestrzeni roboczej. Występujące w przemyśle procesy technologiczne stawiają różne wymagania co do rodzajów

ruchów jak i prędkości ich wykonania. Zróżnicowanie to powoduje rozwój konstrukcji manipulatorów w dwóch kierunkach. Jednym z nich jest budowa

robotów złożonych, o niezmiennej strukturze kinematycznej (z wyjątkiem efektora), tzn. o stałym łańcuchu kinematycznym, którego własności manipulacyjne powinny być zbliżone do właściwości ruchowych człowieka. Klasa robotów o takich manipulatorach nazywana jest klasą robotów antropomorficznych i zaliczamy do niej robota firmy ESHED ROBOTEC Scorbot ER V plus o trzech ruchach rotacyjnych. Jego łańcuch kinematyczny zbudowany jest z bazy, korpusu, ramienia, łokcia i chwytaka. Konfigurację o trzech ruchach rotacyjnych uzyskano poprzez obrót korpusu, ramienia i łokcia, chwytak posiada możliwości obrotu w dwóch kierunkach.

Robot ten posiada możliwość pracy w dwóch rodzajach układów współrzędnych:

· kartezjańskim, gdzie pozycję określa się w wartościach współrzędnych

XYZ.

· biegunowym, współrzędne pozycji podaje się w wartościach enkoderów

umiejscowionych na każdej osi.

Elementami wykonawczymi czyli poruszającymi manipulatorem, są dwunastowoltowe serwosilniki prądu stałego, a przenoszenie napędu odbywa się

poprzez przekładnie pasowe, oraz jedną przekładnie śrubową. Zadaniem systemu sterowania robota jest przeprowadzenie manipulatora po zadanych punktach trajektorii ruchu. Od rodzaju regulacji zależy dokładność pozycjonowania, szybkość ruchu jego płynność, brak przeregulowań. W Scorbocie silniki sterowane są metodą modulowanej szerokości impulsu. Modulacji tej dokonuje sterownik wyposażony w mikroprocesor firmy Motorola 68010, pamięć EPROM o pojemności 384 KB w której zapisany jest ACL (język komend sterujących), RAM-64 KB, przeznaczone dla potrzeb systemowych i 128 KB dla użytkownika. System sterujący jest wielozadaniowy, czyli posiada możliwość wykonywania do 20 zadań jednocześnie; np. może wykonywać w tym samym czasie ruch do zadanego pkt. i otwieranie chwytaka. Istotnym układem robota przemysłowego jest jego system zbierania i przetwarzania informacji o otoczeniu i sferze roboczej, pozwalający na modyfikację trajektorii ruchu robota i adaptację jej do aktualnej sytuacji. Układy tego typu powodują zwiększenie możliwości zastosowań robotów zwłaszcza w procesie robotyzacji zadań o małym stopniu uporządkowania otoczenia. Sprzężenie informacyjne jest realizowane za pomocą systemów sensorów zewnętrznych, takich jak: sensory wizyjne, dotykowe, sensory siły, momentów. W zależności od typów stosowanych sensorów, układ komunikacji robota z otoczeniem realizuje się jako systemy o bezpośrednim kontakcie z przedmiotem manipulacji (sensory dotykowe, naprężeniowe, magnetyczno-zbliżeniowe) lub o bezkontaktowej rejestracji informacji o obiekcie (sensory wizyjne, ultradźwiękowe, podczerwieni, radarowe). W przypadku procesów technologicznych o wysokim stopniu uporządkowania wystarczającym jest robot wyposażony w układ sterowania oparty jedynie na zwrotnej informacji określającej stan wewnętrzny robota, tzn. położenie poszczególnych osi manipulatora i ewentualnie ich prędkości. Roboty wyposażone tylko w wewnętrzny system sterowania (układ regulacji położenia i prędkości manipulatora) nazywa się robotami I generacji:

Rys. 1 . Schemat funkcjonalny robota II generacji

Wyposażenie robota w układ sensorów zewnętrznych, dostarczających informacji o obiekcie manipulacji umożliwia rozbudowę systemu sterowania przez wprowadzenie układu adaptacji trajektorii ruchu robota do zmiennych warunków zewnętrznych. Roboty wyposażone w zewnętrzne sprzężenie zwrotne, nazywamy robotami II generacji, nie wymagają wielu dodatkowych urządzeń uporządkowujących proces technologiczny:

Rys. 2 . Schemat funkcjonalny robota II generacji

Roboty I i II generacji programowane są w trybie uczenia. Oznacza to że, ruch robota programuje się przez ręczne przeprowadzenie manipulatora po żądanej trajektorii. Zapamiętanie trajektorii realizuje się bądź automatycznie, bądź w wybranych przez programującego punktach. Wprowadzenie metod tekstowego programowania robota w oparciu o specjalne zadaniowo-zorientowane komputerowe języki wyższego rzędu, opisujące w swoich instrukcjach globalną trajektorię ruchu, a także pewne cechy obiektu manipulacji i otoczenia, stworzyło możliwość optymalnego i bezkolizyjnego planowania trajektorii, w trakcie procesu jej dekompozycji na ruchy poszczególnych osi robota. Uwzględnienie opisu otoczenia robota pozwala na symulacyjne badanie programu jego działań i korekcję błędów. Roboty wyposażone w system programowania w języku wyższego rzędu nazywa się robotami III generacji:

Rys. 3 . Schemat funkcjonalny robota III generacji

Robota SCORBOT ER V plus pod wzg. wyposażenia w czujniki można zakwalifikować do I generacji robotów, gdyż nie posiada on czujników zewnętrznych lecz jedynie wewnętrzne (enkodery). System posiada jednak możliwość podłączenia czujników zewnętrznych, poprzez układ wejść/wyjść umiejscowionych na przednim panelu sterownika co pozwalałoby zakwalifikować go do II generacji. Tekstowe zadawanie trajektorii czyli możliwość programowania w języku ACL umiejscawia SCORBOT'a w III generacji robotów.

Część projektowa.

Manipulator kartezjański ma stosunkowo najprostsza konfigurację. Jak widać na rysunku połączenia ruchowe 13 są parami przesuwnymi, o osiach wzajemnie prostopadłych i odpowiadających kierunkom osi układu kartezjańskiego X, Y, Z. Robot o takiej konstrukcji ma konstrukcję bardzo sztywną, umożliwiającą zbudowanie robotów bardzo ciężkich, podobnych do suwnic bramowych, które są często nazywane robotami portalowymi. Roboty portalowe manipulują nawet całymi samochodami lub dokonują inspekcji małych samolotów.

Stanowi on 10% populacji manipulatorów.

Rys.4. Manipulator TTT.

Inne zalety manipulatorów kartezjańskich wynikają z faktu, że pierwsze trzy pary przesuwne są rozłączne, co upraszcza ich projektowanie i nie wywołuje żadnych związanych z nimi osobliwości kinematycznych.

Podstawową wadą takiego manipulatora jest to, że cały osprzęt związany z konkretnym zastosowaniem musi mieścić się wewnątrz robota, co powoduje, że gniazdo robocze z robotami kartezjańskimi jest bardzo niepraktyczne. Rozmiary konstrukcji podtrzymujące robot ograniczają rozmiary i rozmieszczenie osprzętu i sensorów. Ograniczenia te powodują, że przystosowanie robotów TTT do instalacyjnych gniazd roboczych jest zadaniem bardzo trudnym.

Tabela parametrów:

Macierze transformacji:

0T1: 1T2:

2T3: 0T2:

0T3:

Obszar roboczy prostopadłościanu o wierzchołkach w punktach ( 45;25;100) ; (460;265;860)

Rysunek znajduje się na osobnej kartce dołączonej do projektu.

Obszar roboczy manipulatora to prostopadłościan o wymiarach 415 x 240 x 760 mm3

Zmienne wewnętrzne ograniczają się do:

q1=( 100 ; 860 )

q2=( 45 ; 460 )

q3=( 25 ; 265 )

Odwrotny problem kinematyczny:

Projekt manipulatora kartezjańskiego.

Literatura:

1. Ryszard Dindorf, Stanisław Dziechciarz, Paweł Łaski

,,Laboratorium z podstaw automatyzacji i robotyki”.

2. Mark W. Spong, M. Vidyasagar

,,Dynamika i sterowanie robotów“.

3. Karol Tomaszewski

,,Roboty przemysłowe. Projektowanie układów mechanicznych”

4. Ryszard Zdanowicz

,,Podstawy robotyki”

5. John J. Craig

,,Wprowadzenie do robotyki. Mechanika i sterowanie”.

6. Morecki

,,Podstawy robotyki. Teoria i elementy manipulatorów i robotów”.

7. Mirosław Galicki

,,Wybrane metody planowania optymalnego trajektorii robotów manipulacyjnych”.

8. Zmodernizowany opis pracy dyplomowej robota FOX-2

Szukasz gotowej pracy ?

To pewna droga do poważnych kłopotów.

Plagiat jest przestępstwem !

Nie ryzykuj ! Nie warto !

Powierz swoje sprawy profesjonalistom.

	i	di	ai	i	sin i	cos i
1	90	q1	0	90	1	0
2	90	q2	0	90	1	0
3	0	q3	-a	0	0	1

0	0	1	0
1	0	0	0
0	1	0	q1
0	0	0	1

0	0	1	0
1	0	0	0
0	1	0	q2
0	0	0	1

1	0	0	-a
0	1	0	0
0	0	1	q3
0	0	0	1

0	1	0	q2
0	0	1	0
1	0	0	q1
0	0	0	1

0	1	0	q2
0	0	1	q3
1	0	0	q1-a
0	0	0	1

1

---