Wykład2 - Roboty przemysłowe

Roboty przemysłowe
Wprowadzenie
Pojęcia podstawowe
z
z
z
z
z
Manipulator jest to mechanizm cybernetyczny
przeznaczony do realizacji niektórych funkcji kończyny
górnej człowieka. Należy wyróżnić dwa rodzaje funkcji
manipulatora: manipulacyjną, wykonywaną przez chwytak
i wysięgnikową, realizowaną przez ramię manipulatora.
Pedipulator jest to kończyna dolna "noga" maszyny
kroczącej. Pedipulator może być układem jedno lub kilku
członowym
Maszyny kroczące,
kroczące czyli urządzenia techniczne
przeznaczone do realizacji wybranych funkcji podobnych
do funkcji lokomocyjnych zwierząt i owadów
posiadających kończyny (kręgowce) lub odnóża (owady).
Roboty mobilne jest to klasa robotów, które mogą się
przemieszczać za pomocą kół lub gąsienic.
Otoczenie robota jest to przestrzeń, w której robot jest
usytuowany. Dla robotów stacjonarnych otoczenie
ogranicza się do przestrzeni roboczej.
z
Robot jest to urządzenie techniczne przeznaczone do
realizacji niektórych funkcji manipulacyjnych i
lokomocyjnych człowieka
A - układ zasilania
B – układ sterowania
C – układ ruchu
Schemat blokowy
z Nomenklatura
angielska:
z
Układ sterowania - zgodnie z teorią sterowania
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
z
Roboty I generacji to roboty zaprogramowane najczęściej na
określoną sekwencję czynności (istnieje możliwość ich
przeprogramowania). W robotach tej generacji stosowano
przeważnie otwarty układ sterowania tak więc robot
charakteryzuje się całkowitym brakiem sprzężenia zwrotnego od
stanu manipulowanego przedmiotu
z
Roboty II generacji to roboty wyposażone w zamknięty układ
sterowania oraz czujniki pozwalające dokonywać pomiarów
podstawowych parametrów stanu robota i otoczenia;pomaga to
uzyskać optymalny efekt działania. Robot powinien rozpoznawać
żądany obiekt nawet wówczas, gdy przemieszcza się z innymi
obiektami, następnie rozpoznać ten obiekt bez względu na jego
położenie i kształt geometryczny.
z
Roboty III generacji to roboty wyposażone
w zamknięty układ sterowania oraz czujniki
pozwalające dokonywać złożonych pomiarów
parametrów stanu robota i otoczenia. Tak
więc roboty te są wyposażone w zdolności
rozpoznawania złożonych kształtów i
klasyfikacji złożonych sytuacji, a ich system
sterowania powinien posiadać zdolności
adaptacyjne. Schemat układu sterowania dla
robotów III generacji jest taki sam jak dla
robotów II generacji
Roboty przemysłowe
z Wysoka
precyzja ruchu, powtarzające się
czynności, np. przenoszenie części,
malowanie natryskowe, spawanie punktowe
itp.
z Praca
w środowisku szkodliwym dla
człowieka
Układ ruchu
z
Jednostkę kinematyczną manipulatora tworzy mechanizm
kinematyczny wraz dołączonymi napędami. Współczesne
manipulatory zbudowane są w postaci szeregowo lub szeregoworównoległego układu połączonych ruchowo członów
kinematycznych, czyli tzw. łańcucha kinematycznego.
Łańcuch
otwarty
(szeregowy)
Łańcuch
zamknięty
(równoległy)
z
Elementy kinematyczne tworzące parę kinematyczną z dołączonym
napędem pozwalają na realizację ruchów względnych elementów
pary kinematycznej; tworzą zespół ruchu. We współcześnie
konstruowanych maszynach manipulacyjnych znaczenie techniczne
mają wyłącznie połączenia członów tzw. V klasy, a więc pary o
wzajemnym ruchu postępowym lub obrotowym. Wspomniane pary
kinematyczne klasy V to przeguby obrotowe służące do obrotu
jednego członu względem drugiego, oraz przeguby pryzmatyczne
.
umożliwiające ruch postępowy pomiędzy członami
Kombinacje przedstawionych przegubów tworzą odpowiednie
konfiguracje kinematyczne manipulatorów i robotów
Parametry opisu
manipulatorów i robotów
Manipulatory i roboty przemysłowe najczęściej posiadają otwarty
łańcuch kinematyczny. Łańcuchy te składają się z kilku ogniw
czynnych umożliwiających przestrzenne przemieszczanie i
orientacje końcówki roboczej, czyli efektora.
z Liczba stopni swobody (ang. DOF – degree of freedom) jest to ilość
zmiennych położenia, jaką należy podać w celu jednoznacznego
określenia układu w przestrzeni. W celu wyznaczenia liczby stopni
swobody korzysta się ze wzoru:
z
Gdzie: w - liczba stopni swobody
n - liczba członów ruchomych
pi - liczba połączeń odpowiedniego rodzaju (klasy)
z
PRZYKŁAD: Dla manipulatora z czterema parami kinematycznymi
wyznaczyć liczbę stopni swobody oraz podać ilość napędów, jaką
trzeba zastosować, aby manipulator mógł spełniać swoje zadanie:
liczba członów ruchomych manipulatora wynosi n=4; w przypadku
analizowanego manipulatora występują wyłącznie pary
kinematyczne klasy V, czyli p5=4 (2 przeguby obrotowe i 2
przeguby pryzmatyczne). Zatem:
w=6*4 - 5*4=4
Aby manipulator posiadał cztery stopnie swobody należy zastosować
4 napędy
z
PRZYKŁAD: Dla manipulatora z czterema parami kinematycznymi
wyznaczyć liczbę stopni swobody oraz podać ilość napędów, jaką
trzeba zastosować, aby manipulator mógł spełniać swoje zadanie
(manipulator posiada przegub kulowy – klasy III):
Istnieje kilka sposobów rozwiązania tego zadania, można zastąpić
przegub kulowy trzema przegubami obrotowymi z zerowymi
przemieszczeniami lub podstawić do wzoru na DOF odpowiednią
klasę pary kinematycznej: mamy n=4, p3=1, p5=3, zatem:
w=6*4-5*3-3*1=6
Należy zastosować 6 napędów, które należy przyłożyć do
poszczególnych członów tak jak na rys powyżej
Jednostkę kinematyczną manipulatora tworzy mechanizm
kinematyczny wraz z dołączonymi napędami. Mechanizm maszyny
manipulacyjnej określają dwa parametry kinematyczne:
z 1. ruchliwość - liczba stopni swobody łańcucha kinematycznego
mechanizmu z unieruchomionym członem - podstawą;
z 2. manewrowość - liczba stopni swobody łańcucha
kinematycznego mechanizmu z unieruchomionymi: członem podstawą i członem - ostatnim w łańcuchu kinematycznym;
z
Pierwszy z tych parametrów określa liczbę więzów, jaką należałoby
nałożyć na mechanizm, aby go całkowicie unieruchomić.
Drugi - podobnie, ale po dodatkowym jeszcze unieruchomieniu
ostatniego wolnego członu, a więc określa swobodę ruchu
mechanizmu w przypadku gdy np. chwytak lub narzędzie jednostki
kinematycznej zajmuje ściśle określone położenie.
z
Mechanizm jednostki kinematycznej manipulatora opisuje się także
przez podanie jego ogólnych właściwości geometrycznych, czyli tak
zwanej struktury kinematycznej.
kinematycznej Pod pojęciem struktury
kinematycznej łańcucha lub mechanizmu rozumie się określenie
schematu kinematycznego w postaci szkicu, wykorzystującego
oznaczenia członów i połączeń par kinematycznych. Bardzo często
gdy struktura manipulatora jest skomplikowana istnieje możliwość
przedstawienia struktury kinematycznej w przestrzeni
trójwymiarowej (np. w izometrii):
•Struktura jednostki kinematycznej wraz z opisem wymiarowym
schematu kinematycznego i zakresem przemieszczeń zespołów
ruchu w sposób jednoznaczny określają przestrzeń ruchów
mechanizmu, a także przestrzeń ruchów chwytaka lub narzędzia.
Ze względów użytkowych, przestrzeń ta jest opisana, niezależnie
od zwymiarowanego szkicu, także przez podanie objętości.
•W przestrzeni roboczej wyróżnia się następujące obszary:
- główną przestrzeń roboczą - w obrębie której przemieszcza się
konstrukcyjne zakończenie ostatniego, wolnego, ale nierozdzielnie
związanego z mechanizmem jednostki kinematycznej członu, z
reguły sprzęgu chwytaka lub narzędzia
- przestrzeń kolizyjną - w obrębie której zawierają się wszystkie
elementy konstrukcyjne i przemieszczają się wszystkie zespoły
ruchu - człony mechanizmu jednostki kinematycznej
- przestrzeń ruchów jałowych - przestrzeń kolizyjną z
wyłączeniem głównej przestrzeni roboczej
- strefę zagrożenia - przestrzeń zabronioną przepisami lub
normami BHP dla obsługi w czasie pracy jednostki kinematycznej
Przestrzenie robocze i kolizyjne dzieli się na: mechaniczne i
sterownicze.
sterownicze
z Przestrzenie mechaniczne wynikają z konstrukcyjnych właściwości
jednostki kinematycznej z korekcjami pochodzącymi np.: od
sumowania luzów w połączeniach, statycznymi i dynamicznymi
odkształceniami sprężystymi itp. Przestrzenie te są z reguły
większe od przestrzeni nominalnych określonych na podstawie
geometrii mechanizmu.
z Przestrzenie sterownicze uwzględniają ograniczenia sterownicze
wynikające z właściwości układów pomiarowych przemieszczeń,
ograniczenia wynikające z zakresu przetwarzania oraz właściwości
samego układu sterownia np. ograniczenia wynikające z zakresów
pracy serworegulatorów. Przestrzenie te są z reguły mniejsze od
przestrzeni nominalnej.
z
Przykładowa główna
przestrzeń robocza
z
Schemat kinematyczny
z
4 DOF
4 DOF
6 DOF
Główna przestrzeń robocza
O czym za tydzień ?
z Klasyfikacja
-
robotów
na podst. własności geometrycznych
na podst. budowy jednostki kinematycznej
ze względu na obszar zastosowań
z Kiści
i chwytaki robotów
z Podstawy matematycznego opisu
kinematyki robotów
Literatura
Niederliński A.: Roboty przemysłowe, WSiP, Warszawa 1981
Craig J. J.: Wprowadzenie do robotyki, WNT, Warszawa, 1995.
Spong M. W., Vidyasagar
M.: Dynamika i sterowanie robotów,
WNT, Warszawa, 1997.
Tchoń K., Mazur A., Dulęba I., Hossa R., Muszyński R.: Manipulatory i
roboty mobilne, Akademicka Oficyna Wydawnicza PLJ, Warszawa,
2000.
Olszewski M., Barczyk J., Falkowski J. L., Kościelny W. J.: Manipulatory i
roboty przemysłowe - automatyczne maszyny manipulacyjne, WNT,
Warszawa, 1992.
Pritschow G.: Technika sterowania obrabiarkami i robotami
przemysłowymi, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław
1995.
Bodo H., Gerth W., Popp K.: Mechatronika - komponenty, metody,
przykłady, PWN, Warszawa, 2001.