Robotyka jest dziedziną nauki i techniki,

która zajmuje się zagadnieniami mechaniki, stero­wania, pomiarów, zastosowań i eksploatacji manipulatorów i robotów.

Wyróżniamy następujące działy robotyki:

1. robotyka teoretyczna,

2. - -[] -- ogólna - metody aspekty ekonomiczne, socjalne, społeczne, terminologia i trędy przyszłościowe,

3. robotyka metrologiczna - roboty do celów pomiarowych, inspekcyjnych, diagnostycz­nych i kontrolnych,

4. robotyka maszyn lokomocyjnych,

5. robotyka medyczna i rehabilitacyjna,

6. robotyka przemysłowa - w przemyśle elektromaszynowym,

7. robotyka pozaprzemysłowa - prace podwodne, przestrzenie kosmiczne.

Maszyny cybrnrtyczne - jest to sztuczne urządzenie przeznaczone do całkowitego lub czę­ściowego zastępowania funkcji energetycznych, fizjologicznych i intelektualnych człowieka.

Funkcje energetyczne - zastąpienie siły fizycznej

Funkcje fizjologiczne - zastąpienie kończyn człowieka,

Funkcje intelektualne - są to zdolności adaptacyjne przy współudziale maszyny z otoczeniem.

Mechanizm cybernetyczny - jest to część maszyny cybernetycznej zastępujące czynności ruchowe człowieka.

Manipulator - nazywamy mechanizm cybernetyczny przeznaczony do realizacji niektórych funkcji kończyny górnej człowieka. Wyróżniamy tu dwa rodzaje funkcji:

• funkcja wysięgnikowa - realizowana przez ramię manipulatora,

• funkcja manipulacyjna - realizowana przez chwytak.

Współczesne manipulatory składają się z:

• pojedynczego łańcucha kinematycznego od 5 do 9 stopni swobody,

• zespołu siłowników tworzących napęd układów sterowania i czujników.

Schemat blokowy manipulatora.

Manipulatory antropomorficzne - nazywamy układ podobny do kończyny człowieka w sęsie kształtu oraz fizjologicznym.

Robot - nazywamy urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji niektórych funkcji ma­nipulacyjnych i lokomocyjnych człowieka mające określony poziom energetyczny, lokomo­cyjny i inteligencji maszynowej.

Robotem przemysłowym nazywamy wielofunkcyjny manipulator przeznaczony do przeno­szenia materiałów, części lub wyspecjalizowanych urządzeń przez różne programowane ru­chy w celu realizacji różnych zadań.

Maszyny kroczące - nazywamy urządzenia techniczne przeznaczone do realizacji wybra­nych funkcji podobnych do funkcji lokomocyjnych zwierząt, owadów posiadających koń­czyny i odnóża.

ROBOT SKŁADA SIĘ Z CZTERECH PODSTAWOWYCH PODZESPOŁÓW:

1. Z układu mechanicznego wyposażonego w odpowiednie siłowniki, który jest zaprojek­towany do wykonywania różnych czynności manipulacyjnych lub pedipula­cyjnych.

Połączenie między członami łańcucha kinematycznego są typu postępowego lub obroto­wego. Jeśli wszystkie połączenia są typu obrotowego mówimy o układach typu antropo­morficznego.

W celu przenoszenia obiektów w przestrzeni jest niezbędna struktura o 6 stopniach swo­body.

Do sterowani łańcuchami stosuje się:

• siłowniki elektryczne lub pneumatyczne przy niewielkich obciążeniach oraz siłowniki hydrauliczne przy dużych obciążeniach.

Części lokomocyjne:

• kołowego

• gąsienicowego

• nożnego

• mieszanego.

2. Otoczenie przestrzeni - dla robotów nieruchomych otoczenie ogranicza się do prze­strzeni roboczej w której porusza się chwytak.

3. Zadanie rozumianego jako różnica dwóch stanów otoczenia początkowego i końco­wego.

Układy sterowania - komputera odpowiedzialnego za generowanie sygnałów, posyłanych do siłowników poruszających manipulator stosowanie do informacji początkowej oraz wiedzy o aktualnych stanach robota i otoczenia.

Cele automatyzacji:

1. zmniejszenie lub wyeliminowanie prac ręcznych,

2. skrócenie czasu wykonywania operacji głównych i pomocniczych,

3. zmniejszenie wysiłku fizycznego oraz wpływu nieprawidłowej obsługi na jakość wy­robu.

współczynniki:

1. zakres automatyzacji.
   

Ca - liczba czynności zautomatyzowanych

2. poziom automatyzacji
   

ta - czas czynności zautomatyzowanych.

Schemat blokowy sterowania automatycznego:

e

Przy sterowaniu ręcznym człowiek bierze bezpośredni udział w sterowaniu wielkością wyj­ściową y.

Sterowanie automatyczne polega na tym, że element automatyki wprowadza x do układu ste­rowania US, który sygnałem u oddziałuje na obiekt O by y=x.

Wyróżniamy dwa rodzaje sterowania:

• układ sterowania otwarty,

• układ sterowania zamknięty.

Istota sterowania wielkością y w układzie otwartym polega na tym, że przy zadanej wielkości wej. x wielkość wyjściowa y zmienia się zgodnie ze zmianą wartości x występuje brak linii sprzężenia zwrotnego. W układzie zamkniętym przy istnieniu zakłóceń zasada sterowania polega na koncepcji doprowadzenia uchybu do wartości zerowej bez względu na rodzaj i wartości zakłóceń czyli doprowadzenia do wartości y=x co umożliwia sprzężenie zwrotne oznaczone linią kreskowaną.

Struktura manipulatorów.

Człon sztywny posiada 6 stopni swobody.

Klasą pary kinematycznej nazywamy liczbę więzów nałożonych na każdy z członów tworzących parę.

L.s.s. pary kinematycznej klasy I - 5

II - 4

III - 3

IV - 2

V - 1

Przykład:

n=18

17 p. W=6n-5p.5-4p.4=24

p.5=12

p.4=5

Wyróżniamy sześć rodzajów chwytaków

• cylindryczny,

• szczypcowy,

• hakowy

• dłoniowy

• sferyczny

• laperalny (boczny)

W zależności od liczby palców: z 2, 3, 5 chwytakami.

Podział ze względu na konstrukcję pojedynczą lub wielochwytakowe

SYSTEMATYZACJA CHWYTAKÓW

Dzielimy chwytaki wg

1. układu napędowego,

• pneumatyczny,

• hydrauliczny,

• elektryczny,

• elektromagnetyczny,

• adhezyjny,

2. układ przeniesienia napędu,

• dźwigniowy

• jarzmowy

• klinowy

• zębaty

• linowy

3. układ wykonawczy,

• sztywne końcówki

• sprężyste końcówki

• elastyczne końcówki

4. siły chwytu

• stała

• nastawna

• regulowana automatycznie

5. sposobu chwytania

• siłowy

• kształtowy

6. urządzenia sensoryczne

• czujnik dotyku

• zbliżenia

• temp

• obciążenia.

n	1	3	5	7	9
p5	1	4	7	10	13

Miarą wzrostu l. par wzrastają trudności konstrukcyjne.

Stosowanie par kinematycznych klasy IV zmniejsza liczbę członów pojawiają się jednak większe siły tarcia.

Prawidłowe uchwycenie obiektu manipulowanego zależy od:

• sposobu unieruchomienia obiektu w uchwycie,

• parametrów obiektu manipulacji,

• wzajemnego początkowego ustawienia chwytaka i obiektu,

• warunków dynamicznych procesu manipulacji.

Unieruchomienie obiektu może być realizowane dwoma sposobami:

• przez wytwarzanie pola sił działających na obiekt manipulacji,

• przez odjęcie obiektom 6 stopni swobody.

W przypadku chwytania siłowego siły tarcia statycznego powinny uniemożliwiać przemieszczanie się obiektu.

W przypadku chwytania kształtowego siła chwytu powoduje zaciskanie końcówek chwytanych ale nie oddziałuje bezpośrednio na obiekt manipulacji.

Wybór typu chwytaka:

• ze sztywnymi końcówkami,

• podciśnieniowy,

• elektromagnetyczny.

Podstawowe parametry techniczne:

• nominalny udźwig kg,

• siła chwytu N,

• czas uchwycenia s,

• czas uwolnienia obiektu,

• max i min wymiary obiektu,

• rodzaj końcówek chwytaka.

Dla chwytaka podciśnieniowego:

• wymiar pola przyssawki,

• nominalne podciśnienie czaszy przyssawek.

Dla chwytaków elektromagnetycznych:

• liczba zwojów,

• wymiary pola styku chwytaka z powierzchniami,

• napięcie zasilania.

Chwytaki podciśnieniowe:

• z przyssawek (gumy lub tworzywa syntetycznego),

• urządzeń do wytwarzania podciśnienia.

Mogą być stosowane do płaskich i równych powierzchni, zapewniających ogromną siłę przylegania, zmniejsza się dokładność pozycjonowania ze względu na elastyczność przyssawek. Niezbędny jest pewien czas na wytworzenie podciśnienia, wymagana hermetyczność połączeń. Czas pracy przyssawek jest ograniczony ze względu na ich zużywanie.

Chwytaki elektromagnetyczne składa się z rdzenia oraz uzwojenia mogą być stosowane tylko do materiałów ferromagnetycznych, mogą osiągać dużą siłę przyciągania na jednostkę powierzchni. Ma skłonność do przemieszczenia podczas uchwycenia obniża się dokładność pozycjonowania. Czas uchwycenia jest bardzo krótki, nagrzewają się zwoje podczas pracy chwytaka.

AUTOMATYCZNIE KIEROWANE WUZKI KOŁOWE.

Zastosowanie:

• militaria,

• służba zdrowia,

• przemyśle (energetycznym, kopalniach, motoryzacyjnym, elektronicznym)

Podział:

1. W zależności od ładowności:

• pojazdy o ładowności <200 kg,

• 200 do 2000 kg,

• >2000 kg

Transport ładunków może odbywać się nad podłogą

• wymiana ładunku odbywa się za pomocą przenośników wałkowych lub łańcuchowych,

• z poziomu podłogi nad podłogę,

• z ------- na wyższy poziom,

• w linii montażowej

1. Podział do transportu indywidualnego,

3. Pojazdy do transportu zbiorczego,

4. Podział ze względu na właściwości ruchowe:

1. pojazdy realizujące ruch do przodu i do tyłu,

2. -------------- w dowolnym kierunku,

O KNSTRUKCJI TRZY I CZTEROKOŁOWEJ

Rysunek

System nawigacji jest systemem umożliwiającym automatyczne prowadzenie pojazdu pomiędzy dwoma zadanymi punktami. System ten możemy podzielić na bierny i aktywny.

• bierny - pojazd porusza się po zadanej trasie,

• aktywny - pojazd posiada własny system sterowania z odpowiednio rozbudowaną pamięcią w której zakodowana jest mapa obszarów umożliwiająca określenie pozycji oraz parametry ruchu koniecznych do kontynuowania jazdy w bieżącym czasie.

SYSTEMY

• bierny

1. indukcyjny - trasę pojazdu wyznacza przewód elektryczny zasilany prądem zmiennym o wysokiej częstotliwości od 2 do 54 kHz, kable znajdują się w podłodze o głębokości 20 mm.

W pojeździe znajduje się antena odbiorcza z dwiema cewkami indukuje się w nich prąd, a następnie porównywane jest ich napięcie. Różnica w napięciu powoduje przesłanie sygnału do układu kierowniczego robota.

2. system ekranowy - (optyczny) do podłogi jest przyklejona taśma odbijająca światło o dużej wytrzymałości ściernej i mechanicznej. Pojazd jest wyposażony w dwa czujniki mierzących natężenie odbitego światła od taśmy. Różnica w oświetleniu powoduje przesłanie sygnału do układu kierowniczego robota.

• aktywny

1. obliczeniowy system nawigacji - istota tego systemu polega na zliczaniu drogi przebytej przez poszczególne koła pojazdu oraz pomiarze skrętu koła kierowniczego. Na podstawie tych wiadomości określa się aktualną pozycję robota. System ten charakteryzuje się dużą prostotą jednak system ten powinien współpracować z innymi systemami nawigacji ze względu na występowanie błędu położenia wynikającego z:

• niedokładności wymiarowej i promienia R,

• poślizgu w ruchu po łuku,

• wpływem przeszkód na wielkość wyliczonej drogi,

• przyjęciem punktowego styku koła z podłożem.

2. system wykorzystujący czujniki pola magnetycznego - w podłodze wzdłuż zadanej trasy w odległości 5 do 10 m rozmieszczone są po dwa magnesy trwałe. Pojazd wyposażony jest w czujniki pozwalające na lokalizację magnesów oraz w żyroskop określającym położenie kątowe poruszającego się pojazdu.

3. systemy wykorzystujące siatkę optyczną - pojazd porusza się po podłodze na której znajduje się siatka regularnych pól w kształcie kwadratów na przemian białych i czarnych 30x30 cm. Pojazd jest wyposażony w czujniki wykrywające linię siatki.

4. system nawigacji laserowej - pozycja pojazdu jest wyznaczana przez pomiar kątów kierunkowych odbitych od odbłyśników wiązek światła pochodzących z lasera. Głowica z laserem obraca się od 10 do 20 obrotów na sekundę.

5. system nawigacji satelitarnej - za punkt odniesienia służą pozycje 4 lub 5 satelitów. Stosowane na otwartych terenach.

• W zastosowaniach poza przemysłowych:

1. kamery wizyjne,

2. czujniki ultradźwiękowe.

Systemy optyczne mogą być stosowane w czystym przemyśle energetycznym, laserowy jest elastyczny, satelitarny na zewnątrz budynków.

Ruchliwość łańcuchów kinematycznych wyróżnia się wzorem.




W- ruchliwość; n - liczba członów ruchliwych; Pi - liczba połączeń danego rodzaju




W przypadku otwartych łańcuchów




W przypadku gdy wszystkie człony wykonują ruch płaski




Liczba kombinacji łańcuchów można określić

L=2^k

k - liczba członów

SYSTEMATYZACJA ROBOTÓW

Kryteria podziałowe robotów.

1. przeznaczenia

• do celów szkoleniowych,

• do badań naukowych

• do celów przemysłowych

• do celów badawczych.

1. stopnia specjalizacji

• uniwersalne

• wyspecjalizowane

• specjalne

1. wg rozdziału napędu

• napęd pneumatyczny

• napęd hydrauliczny

• napęd elektryczny

• napęd mieszany

Wyróżniamy również roboty pracujące w różnych układach współrzędnych

• kartezjaniski X, Y, Z - osie wzajemnie prostopadłe chwytak porusza się w trzech różnych kierunkach, ale jest wolny,

• cylindryczny - dwie osie jeden obrót,

• kulisty - jedna oś i dwa kąty (w układzie antropomorficznym).

Wg kryterium własności kinematycznych dzielimy roboty w zależności od liczby stopni swobody.

Kryterium własności dynamicznych - osiągi robotów

Osiągi robota

• geometria ramion,

• układ napędu,

• dokładność

• niezawodność, bezpieczeństwo,

Dokładność położenia i orientacji:

• roboty super precyzyjne <m

• precyzyjne <mm

• przeciętne od 1÷5 [mm]

Kryterium mobilności.

• stacjonarne,

• mobilne.

Wg kryterium sterowania

1. tzw. ze stałym programem,

2. programem dyskretnym

3. programem ciągłym

4. robot inteligentny wykorzystujący sensory dotyku, wizji, głosu,

Podział ze względu na generację:

• roboty 1 generacji zaprogramowane do wykonywania określonych czynności

• roboty 2 generacji są to roboty wyposażone w zestaw czujników umożliwiających współpracę z otoczeniem,

• roboty 3 generacji typu ręka dająca możliwość rozpoznawania obiektów.

Podstawowym warunkiem zadania chwytaka jest uchwycenie obiektu, manipulacji, trzymania obiektu trakcyjne oraz uwolnienie obiektu w określonym miejscu. Na prawidłowym uchwyceniu obiektu ma wpływ kształt, masa, umiejscowienie środka ciężkości obiektu, materiał, stan powierzchni, temp.

Napędy sterowanie robota.

siłowniki:

• pneumatyczny,

• hydrauliczny,

• elektryczny.

70 90

44,9% P 10% P

42,4% H 40% H

12,7% E 50% E

Napęd pneumatyczny

Zalety:

• łatwość uzyskiwania powietrza,

• układ bezpieczny w eksploatacji ze względu na niskie ciśnienie,

• niewielka sztywność w małych robotach

Podział napędu:

• siłowniki pneumatyczne liniowe (tłokowe),

• kątowe stosowane do sterowania położeń kątowych wałka wyjściowego siłowników

Wyróżniamy siłowniki:

• tłokowe

• membranowe.

Napęd hydrauliczny:

Zalety:

• krótki czas rozruchu,

• możliwe znaczne przemieszczenie przy znacznym obciążeniu.

• duża sprawność układu.

Wyróżniamy:

• siłowniki hydrauliczne liniowe (dwustronnego działania, jednostronnego działania),

• siłowniki obrotowe - zamieniające ruch postępowy na obrotowy,

• siłowniki z równoległymi tłokami.

Rozdzielniki hydrauliczne - kierują strumieni cieczy do określonego miejsca obwodu hydraulicznego - suwakowe

Serwozawory hydrauliczne.

• przepływowe - służą do wzmocnienia i przetworzenia małego sygnału wejściowego na duży wyjściowy w postaci natężenia przepływu cieczy.

• ciśnieniowe zmieniają mały sygnał wejściowy na duży sygnał wyjściowy w postaci ciśnienia przy małym natężeniu przepływ

Napędy elektryczne:

Zalety

• łatwość rozdziału i dostarczenia energii,

• dostępność silników elektrycznych,

• dokładność,

• łatwe sterowanie,

• niewielkie straty i zanieczyszczenia,

Wady:

niewielki stosunek mocy do masy

Komutatorowe silniki elektryczne prądu stałego - silniki krokowe.

Mechanizmy przekazywania ruchu - służą one do transmisji ruchu silnika do członów łańcucha kinematycznego robota:

• przekładnie pasowe,

• linowe,

• łańcuchowe,

• śrubowe i zębatkowe.

Oprócz przekazywania napędu następuje redukcja prędkości obrotowej silnika.

• przekładnie dźwigniowe,

• przekładnie zębate (o osiach stałych, ruchomych),

• przekładnie falowe (harmoniczne).

Czujniki i sensory.

• dostarczają informacji o parametrach stanu robota i o stanie otoczenia. Parametrami robota są położenie i orientacja w przestrzeni chwytanych przez robota przedmiotów, kształtu tych przedmiotów, barwę.

• pomiaru przemieszczeń kontowych, prostoliniowych,

• prędkości i przyspieszeń,

• pomiaru siły,

• dotyku,

• zbliżenia lokalizacji orientacji,

• identyfikacja przedmiotów.

Roboty i manipulatory do prac pod wodą. (1863 - torpeda).

Manipulatory mają 4 do 5 stopni swobody. Układ napędowy jest to kilka śrub napędowych, przestrzeń robocza w dolnej części, udźwig od 250 do 1000 N, długość łańcucha kinematycznego 1 do 2 m,

Dwa rodzaje siłowników:

• elektryczny,

• hydrauliczny.

Sterowanie manipulatorem:

• przyciskami,

• kopiujące zadaną pozycję,

• kopiujące z zadawaną pozycją ze sprzężeniem zwrotnym od zadawanej siły.

Roboty przemysłowe:

1. robot który ma sekwencyjny układ sterowania,

2. robot realizujący zadaną trajektorię,

3. robot adaptacyjny

4. teleoperator,

Spawalnictwo

PR02 - zastosowano 18 modułów mechanicznych oraz pozycjonowanie za pomocą zderzaków napęd pneumatyczny.

PR30 - z części manipulacyjnej, układu sterowania mech., układu regulacji obrotów oraz kabli przyłączeniowych ma cztery stopnie swobody.

Manipulatory rehabilitacyjne:

• związane bezpośrednio z pacjentem,

• wolnostojące,

• związane z wózkiem elektrycznym

Maszyny elastyczne są to urządzenia których ramie może operować w przestrzeni z przeszkodami a także wewnątrz zamkniętych przekrojów.

1. maszyny wężopodobne

2. maszyny typu trąba słonia

3. maszyna typu kręgosłup.

Łańcuch manipulacyjny

Siłowników (napęd),

czujników

Otoczenie

Komputer

Zadanie

Komputer

Zadanie

Manipulator

z siłownikami

pedipulatory

z siłownikami

Otoczeni

US

O

X

u

Z

y

---