Robotyka i napędy

Robotyka i napędy
Historia
Najstarszym
zachowanym
projektem
humanoidalnego robota jest datowany na
rok 1495, wykonany przez Leonarda da
Vinci zbiór rysunków mechanicznego
rycerza, który mógł siadać, poruszać
rękami oraz głową i szczęką. Nie wiemy
niestety czy Leonardo podjął się próby
jego zbudowania.
Źródło: http://pl.wikipedia.org
http://aitech.pl
Historia
Na pierwszego działającego robota ludzkość
musiała poczekać do roku 1738. Był nim
grający
na
flecie
android
którego
konstruktorem był Jacques de Vaucanson.
Zbudował on też mechaniczną kaczkę,
potrafiącą jeść i wydalać.
Źródło: http://pl.wikipedia.org
http://aitech.pl
Historia
Po raz pierwszy terminu robot użył czeski pisarz Karel Capek w 1921 roku
w swojej sztuce. Terminem tym określił maszynę-niewolnika zastępującą człowieka
w najbardziej uciążliwych zajęciach. Nazwa wywodzi się od czeskiego robota czyli
ciężka praca.
Źródło: http://pl.wikipedia.org
http://aitech.pl
Historia
W języku angielskim pojęcie to pojawiło się po raz
pierwszy w krótkim opowiadaniu Isaaca Asimova
Kłamca (Liar) w 1941 roku. Początek rozwoju
robotyki jako dziedziny wiedzy przypada na rok
1961. Wtedy to opatentowany został przez J. Devola
pierwszy robot a dokładniej manipulator, który został
uruchomiony na linii produkcyjnej General Motors.
Źródło: http://pl.wikipedia.org
http://aitech.pl
http://www.robothalloffame.org
Definicje robotyki
Początkowo najbardziej powszechnie akceptowaną definicją robotyki była
zaproponowana w Stanach Zjednoczonych przez RIA (Robotic Industries
Association):
Robot jest przeprogramowywalnym, wielofunkcyjnym manupulatorem (lub
urządzeniem) zaprojektowanym do przenoszenia materiałów, części, narzędzi,
lub wyspecjalizowanych urządzeń za pomocą zmiennych, programowanych
ruchów do wykonywania wielu zadań.
Około 1942 roku amerykański pisarz Isaac Asimov w opowiadaniu „Zabawa
w berka” wprowadził trzy prawa robotyki, które jego zdaniem musiały być
przestrzegane przez roboty:
- prawo pierwsze: Robot nie może skrzywdzić człowieka, ani przez
zaniechanie działania dopuścić, aby człowiek doznał krzywdy.
- prawo drugie: Robot musi być posłuszny rozkazom człowieka, chyba że
stoją one w sprzeczności z pierwszym prawem..
- prawo trzecie: Robot musi chronić sam siebie, jeśli tylko nie stoi to w
sprzeczności z pierwszym lub drugim prawem.
Źródło: http://aitech.pl
Definicje robotyki
Słownik wyrazów obcych [PWN, Warszawa 2003]:
roboty – maszynę lub urządzenie techniczne imitujące działanie
(czasem nawet wygląd) człowieka, odznaczające się
określonym stopniem automatyzacji […].
robotyka – nauka zajmująca się projektowaniem i zastosowaniem
robotów, ich mechaniką i sterowaniem,
Wikipedia
robotyka – (ang. robotics) interdyscyplinarna dziedzina wiedzy
działająca na styku mechaniki, automatyki, elektroniki,
sensoryki, cybernetyki oraz informatyki. Domeną robotyki są
również rozważania nad sztuczną inteligencją - w niektórych
środowiskach robotyka jest wręcz z nią utożsamiana.
Źródło: http://aitech.pl
Definicje robotyki
Jest to dziedzina nauki i techniki, zajmująca się wszystkimi problemami
dotyczącymi mechaniki, sterowania ruchem, sensoryki, inteligencji
maszynowej, projektowania, zastosowań, eksploatacji manipulatorów,
robotów i maszyn kroczących.
W robotyce można wyróżnić :
a) robotykę teoretyczną – jest to teoria robotów i manipulatorów,
b) robotykę przemysłową – są to zastosowania robotów i manipulatorów
w różnych dziedzinach życia
c) robotykę medyczną i rehabilitacyjną
d) robotykę ogólną – są to metody, aspekty ekonomiczne, socjalne
zastosowań robotów.
Źródło: http://www.cyberowca.info
Klasyfikacja robotów
Istnieje ogólna klasyfikacja robotów, podobnie jak i komputerów, ze względu
na ich generacje :
a) roboty programowalne – wykonują zawsze jeden i ten sam program
wiele razy,
b) roboty adaptacyjne – wyposażone są w czujniki, informujące czy
określony detal znajduje się na miejscu – razie gdy detalu brakuje robot
może sam go poszukać,
c) roboty inteligentne – nie programuje się im faz wykonania zadania, tylko
zadaje się określoną czynność ( zdolne do samoprogramowania ).
Źródło: http://www.cyberowca.info
Klasyfikacja robotów
• Roboty przemysłowe
• Roboty militarne
• Roboty medyczne
• Roboty mobilne
• Nano roboty
• Roboty do rozrywki
Roboty przemysłowe
Najczęściej mają one postać mechanicznego
ramienia o pewnej liczbie stopni swobody. Taki
robot o wielkości człowieka jest w stanie
manipulować z ogromną szybkością i precyzją
przedmiotami o wadze do kilkuset kilogramów.
Zwykle są one programowane do wykonywania
wciąż tych samych, powtarzających się
czynności, które mogą wykonywać bezbłędnie
przez całą dobę. W fabrykach pracuje 90%
produkowanych robotów, połowa z tego
używana jest przy produkcji samochodów.
Źródło: http://pl.wikipedia.org
Roboty przemysłowe
Dzięki robotyzacji zyskujemy:
• lepsze wykorzystanie zasobów - roboty zwiększają wydajność kosztownych
linii produkcyjnych poprzez zachowanie ściśle zdefiniowanych i szybkich
ruchów prowadzące do minimalnych czasów przestojów maszyn,
• redukcję kosztów pracy - roboty bezpośrednio redukują ilość pracy oraz
usprawniają realizację trudnych zadań,
• zwiększenie ergonomii i bezpieczeństwa pracowników - roboty minimalizują
wypadki spowodowane powtarzaniem tych samych czynności oraz
kontaktem z niebezpiecznymi maszynami,
• lepszą jakość wyrobów przy mniejszej ilości odpadów - dzięki
powtarzalności, przewidywalności i lepszej kontroli nad spójnością procesu.
Źródło: http://sciaga.pl
Roboty przemysłowe
Roboty całkowicie wyeliminują koszty pracy ludzkiej. Roboty nie są panaceum;
zawsze będzie pewna liczba czynności, w których ludzie są lepsi od robotów.
Zakup robota oraz jego utrzymanie wiążą się z dużymi kosztami. Podobnie jak
w przypadku komputerów PC, notowany jest spadek cen robotów przy równoczesnym
zwiększeniu łatwości obsługi i osiągów.
Tylko duże serie produkcyjne mogą uzasadnić koszty wdrożenia robota. Roboty mogą
wykonywać różne zadania na różnych elementach.
Z wyjątkiem laboratoriów, tylko duże firmy z branży
motoryzacyjnej używają robotów. Największy
współczynnik zainstalowanych robotów mają
obecnie firmy zatrudniające mniej niż 500 pracowników
Źródło: http://sciaga.pl
Roboty militarne
Najczęstszym zastosowaniem w tej dziedzinie jest
rozbrajanie bomb. Roboty produkowane do tego
celu mają postać bardzo stabilnej ruchomej
platformy, na której zamocowana jest kamera i silne
źródło światła. Robot taki, kontrolowany zdalnie
przez operatora, jest w stanie rozbroić bombę lub
przy pomocy manipulatora przenieść ją w miejsce
gdzie detonacja nie wyrządzi nikomu szkody.
Roboty militarne
Zastosowaniem robotów często jest eksploracja środowisk z
jakichś powodów niedostępnych dla człowieka. Przykładem są
roboty przeznaczone do pracy pod wodą - mające postać
zdalnie sterowanych bądź w większym stopniu autonomicznych
mini-łodzi podwodnych wyposażonych w kamery i manipulatory.
Istnieją też roboty przeznaczone do operowania w środowiskach
o bardzo silnej radiacji, takie jak zbudowany na wzór pająka
Robug III. Wdzięcznym dla inteligentnych maszyn zadaniem jest
też eksploracja kosmosu, w czym utwierdziły nas sukcesy takich
konstrukcji jak Sojourner, Spirit oraz Opportunity
przeznaczonych do eksploracji Marsa.
Roboty militarne - bojowe
Roboty medyczne
Roboty mobilne
Roboty humanoidalne
Nano roboty
Robot używa do poruszania się dwóch niezależnych mikroaktywatorów,
"muskułów". Pierwszy umożliwia ruch do przodu, drugi zaś skręcanie. Nie ma
zaprogramowanych kierunków. Zamiast tego reaguje odpowiednim ruchem na
zmiany elektryczne w siatce elektrod, która jednocześnie dostarcza mu mocy do
wykonania tych akcji.
Ten mikrorobot i jego wariacje
mogą zostać wykorzystane do
celów ochrony i bezpieczeństwa, kontroli i napraw
układów scalonych, badania
niebezpiecznych
środowisk
czy nawet do manipulowania
ludzkimi komórkami i tkankami
Źródło: http://asimo.pl
Roboty rozrywkowe
http://www.asimo.pl/video/hubo1.wmv
http://www.asimo.pl/video/ballbot_1.ram
http://www.youtube.com/watch?v=9fBIRitTROE&eurl=related
http://www.youtube.com/watch?v=HBIW7As0nxM&eurl=related
http://www.youtube.com/watch?v=Q3C5sc8b3xM&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=BTbZJHRc3qk&eurl=related
http://www.youtube.com/watch?v=cJuNe50uuzk&eurl=related
http://www.youtube.com/watch?v=_KXOzFJF41Q&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=mpBG-nSRcrQ&eurl=related
http://www.youtube.com/watch?v=JYptK21vAgQ&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=_N_IE8O1Kww&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=8G4nCGuMOVo&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=vtx0g-Mp-WI&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=IFVSuUIt8KY&feature=related
Roboty przemysłowe
Robot przemysłowy
Definicja wg normy ISO ITR 8373 jest następująca:
„Robot przemysłowy jest automatycznie sterowaną,
programowaną, wielozadaniową maszyną manipulacyjną
o wielu stopniach swobody, posiadającą własności
manipulacyjne lub lokomocyjne, stacjonarną lub mobilną.”
Plan wykładu
• Klasyfikacja na podstawie własności geometrycznych
• Klasyfikacja na podstawie budowy jednostki
kinematycznej
• Klasyfikacja ze względu na obszar zastosowań
Klasyfikacja na podstawie
własności geometrycznych
• Konfiguracja kartezjańska (PPP)
• Konfiguracja cylindryczna (OPP)
• Konfiguracja antropomorficzna (OOO)
• Konfiguracja sferyczna (OOP)
• Konfiguracja SCARA (OOP)
• Manipulatory równoległe o zamkniętym łańcuchu
kinematycznym
Konfiguracja kartezjańska (PPP)
Dla manipulatora kartezjańskiego zmienne przegubowe są współrzędnymi
kartezjańskimi
końcówki
roboczej
względem podstawy. Biorąc pod uwagę
opis kinematyki tego manipulatora jest
on najprostszy spośród wszystkich
konfiguracji. Taka struktura manipulatora jest korzystna w zastosowaniach
głównie do montażu na blacie stołu oraz
do transportu materiałów lub ładunków.
Konfiguracja cylindryczna (OPP)
Pierwszy przegub jest obrotowy
i wykonuje obrót względem podstawy,
podczas gdy następne przeguby są
pryzmatyczne. W takiej strukturze
zmienne przegubowe są jednocześnie
współrzędnymi
cylindrycznymi końcówki roboczej względem
podstawy, a przestrzenią roboczą jest
niepełny cylinder
Konfiguracja antropomorficzna (OOO)
Do grupy manipulatorów antropomorficznych
zalicza się te manipulatory które posiadają
strukturę składającą się z trzech przegubów
obrotowych. Przedstawiona struktura manipulatorów nosi również nazwę manipulatorów
z łokciem.
Manipulatory tej klaqsy posiadają często
dodatkowe człony w celu zwiększenia liczby
stopni swobody, jednak jest to konfiguracja
antropomorficzna ponieważ trzy pierwsze
pary kinematyczne licząc od podstawy są
obrotowe
Konfiguracja sferyczna (OOP)
Konfiguracja sferyczna powstaje z zastąpienia w konfiguracji antropomorficznej trzeciego przegubu obrotowego
przegubem pryzmatycznym.
Nazwa tej konfiguracji wywodzi się stąd,
że współrzędne sferyczne, określające
położenie końcówki roboczej względem
układu współrzędnych o początku
w przecięciu osi z1 i z2, są takie same,
jak trzy pierwsze zmienne przegubowe.
Konfiguracja SCARA (OOP)
SCARA (Selective Compliant
Articulated Robot for Assembly)
Głównym przeznaczeniem tej klasy
manipulatorów jest montaż elementów
i
podzespołów
oraz
powtarzalne
przenoszenie detali oraz ich sortowanie.
Strukturę tę również wykorzystuje się
do tworzenia obwodów drukowanych w
elektronice. SCARA posiadając strukturę (OOP), różni się od konfiguracji
sferycznej wyglądem jak i obszarem
zastosowania.
Manipulatory równoległe o zamkniętym
łańcuchu kinematycznym
Zasada działania tego typu robotów opiera
się na idei odpowiednio zaprojektowanych ramion robota. Użycie tych ramion
pozwala ustawić pozycję i orientację
ruchomej platformy. Takie roboty posiadają
3 ramiona, które wprowadzają 3 stopnie
swobody.
Ruchoma
platforma
jest
wyposażona w efektor który posiada
dodatkowy stopień swobody umożliwiający
np. obrót.
Klasyfikacja na podstawie budowy
jednostki kinematycznej
• Jednostki monolityczne
• Jednostki modułowe
• Jednostki pseudomodułowe
Jednostki monolityczne
Do tego typu konstrukcji zalicza się
jednostki kinematyczne o stałej,
niezmiennej konstrukcji mechanizmu.
Producent
dostarcza
wszystkie
niezbędne
zespoły
ruchu
wraz
z efektorem zgodnie z oczekiwaniami
odbiorcy. Przy obecnym rozwoju
techniki należy zauważyć iż jednostki
monolityczne znajdują coraz mniejszą
grupę odbiorców ze względu na
wymagania związane z elastycznością
zrobotyzowanych systemów produkcyjnych.
Jednostki modułowe
Do tego typu konstrukcji zalicza się jednostki kinematyczne złożone
zgodnie z potrzebami z dostarczonych przez producenta gotowych
zespołów ruchu.
Pomimo że producent nie ogranicza możliwych do zestawienia
struktur, jednak są one ograniczone przez własności mechaniczne
i dynamiczne dostarczonych modułów. Przykładowo odbiorca
dostarcza informacji na temat żądanych zakresów ruchu
poszczególnych członów manipulatora, a producent dostarcza
odpowiednie moduły wraz z układem zasilania i sterowania.
Jednostki modułowe mogą być bardzo wygodnym rozwiązaniem ze
względów ekonomicznych oraz technologicznych.
Jednostki pseudomodułowe
Do tej grupy konstrukcji zalicza się jednostki o stałej strukturze
kinematycznej, ale dopuszczonej przez producenta możliwości
wymiany przez użytkownika niektórych zespołów ruchu, z reguły
będących na końcu łańcucha kinematycznego.
Klasyfikacja ze względu
na obszar zastosowań
• Roboty spawalnicze
• Roboty malarskie
• Roboty montażowe
• Roboty do przenoszenia materiałów i załadunku palet
• Roboty stosowane do obróbki materiałów
• Roboty do utylizacji i zabezpieczania odpadów
Roboty spawalnicze
Jest to jedno z najpowszechniejszych zastosowań robotów w przemyśle. Pod
pojęciem robotów spawalniczych należy rozumieć szereg różnych robotów
wykorzystywanych do spawania, zgrzewania, lutowania, wykorzystywanych
najczęściej w przemyśle samochodowym i elektronicznym.
Roboty malarskie
Innym polem zastosowania robotów
w
przemyśle
jest
natryskowe
malowanie wyrobów. Powtarzalność
i szybkość pracy robotów pozwala
uzyskać prawie doskonałe pokrycie
malowanego materiału. Dodatkowym
powodem stosowania robotów przy
malowaniu
natryskowym
jest
eliminacja szkodliwości stosowanych
substancji dla człowieka.
Roboty montażowe
Z analizy rozwoju robotyki wynika, iż w przyszłości największym
obszarem zastosowań robotów będą prace montażowe. Prace te ze
względu na dokładność i powtarzalność czynności są idealne do
robotyzacji i dlatego też większość obecnie produkowanych urządzeń
jest montowana automatycznie lub półautomatycznie.
Należy wspomnieć, iż procesowi montażu mogą podlegać różnego
rodzaju operacje technologiczne, od mało skomplikowanych (np.
zakręcanie nakrętki na śrubie) do bardzo skomplikowanych (operacje
montażu układów elektronicznych).
Roboty montażowe
Roboty do przenoszenia materiałów
i załadunku palet
Zastosowanie robotów do przenoszenia materiałów pozwala nie tylko
zredukować koszty związane z
zatrudnianiem
wykwalifikowanych
pracowników do obsługi urządzeń
transportowych, ale także poprawić
bezpieczeństwo pracy.
Innym bardzo ważnym celem tego
typu
robotów jest zastąpienie
człowieka w wykonywaniu monotonnych operacji takich jak np.
układanie, sortowanie.
Roboty stosowane do obróbki materiałów
Obecnie można spotkać roboty
wykorzystywane do operacji obróbki
materiałów, może to być obróbka
skrawaniem jednak wraz z rozwojem
nowych gałęzi przemysłu i rozwojem
nowych
metod
wytwarzania
doskonałym przykładem może być
zastosowanie robotów do cięcia przy
pomocy
wody
pod
wysokim
ciśnieniem.
Roboty do utylizacji i zabezpieczania
odpadów
Obecnie jednym z podstawowych
zastosowań robotów jest utylizacja i
zabezpieczanie odpadów przemysłowych i militarnych. Przykładem
takiego zastosowania może być np.
rozbrajanie amunicji.
Roboty mogą być także wykorzystywane do zabezpieczania i
utylizacji substancji radioaktywnych.
Element układu robotycznego
Czujniki:
- położenia
- siły
- odległości
- wizyjne
Napędy (Aktory):
- silniki elektryczne
- siłowniki pneumatyczne
Układ sterowania:
- mikroprocesory
- komputery
Kinematyka
robotów przemysłowych
Kinematyka
Kinematyka jest to dział mechaniki zajmujący się,
matematycznym opisem ruchu ciał oraz badaniem
geometrycznych właściwości ich ruchu, pomijając przy tym
działające siły i bezwładność ciał.
Kinematyka
Najważniejszym zadaniem związanym z manipulatorem
będzie zapewnienie pożądanego położenia i orientacji
efektora. To zadanie wymaga wyznaczenia pewnego
odwzorowania przekształcającego położenia przyjmowane
przez poszczególne przeguby na położenia i orientacje
efektora, nazywanego kinematyką manipulatora. Wektor
wartości położeń poszczególnych przegubów nazywamy
konfiguracją.
Układ współrzędnych
Zadanie proste kinematyki
Proste zadanie kinematyki polega na obliczeniu pozycji
i orientacji członu roboczego względem układu odniesienia podstawy dla danego zbioru współrzędnych
konfiguracyjnych. Zadanie to można traktować jako
odwzorowanie opisu położenia manipulatora w przestrzeni współrzędnych konfiguracyjnych na opis
przestrzeni współrzędnych kartezjańskich.
Zadanie proste kinematyki
Algorytm wyznaczania kinematyki według Denavita-Hartenberga polega na
związaniu z każdym ramieniem manipulatora lokalnego układu współrzędnych
umieszczonego w odpowiednim przegubie, a następnie wyznaczeniu
transformacji pomiędzy kolejnymi układami
Układy 0 nr n i nr wiążemy z podstawą i efektorem manipulatora.
i
Transformacja Ai −1 pomiędzy układami i-1 oraz i jest zdefiniowana jako złożenie
czterech podstawowych przekształceń :
Zadanie proste kinematyki
Kinematyka układu tzn. transformacja układu podstawowego w układ
efektora (lub transformacja współrzędnych z układu efektora do układu
podstawowego) jest złożeniem kolejnych transformacji (przejść pomiędzy
kolejnymi przegubami manipulatora) i ma postać:
Zadanie odwrotne kinematyki
Odwrotne zadanie kinematyki polega na wyznaczeniu ruchu
przegubów manipulatora zapewniające uzyskanie określonego
ruchu efektora na rozmaitości zadaniowej. Jest ono regularne jeżeli
realizacja trajektorii ruchu efektora nie wymaga wprowadzenia
manipulatora w konfiguracje osobliwe. W przeciwnym przypadku,
odwrotne zadanie kinematyki nazywa się osobliwym.
Metody rozwiązania odwrotnego zadania kinematyki:
• bezpośrednie podejście algebraiczne
• podejście geometryczne
• metoda jakobianu odwrotnego
Zadanie odwrotne kinematyki
Bezpośrednie podejście algebraiczne, polega na przekształceniu
równań kinematyki manipulatora do postaci zależności opisujących
odwzorowanie odwrotne do kinematyki.
Podejście geometryczne polega na dekpozycji przestrzennej geometrii
manipulatora na szereg figur geometrii płaskiej.
Zadanie odwrotne kinematyki
Metoda jakobianu odwrotnego zakłada, że ciągłe zadanie kinematyki posiada
rozwiązanie xd. Wówczas poprzez różniczkowanie po czasie obu stron
zależności
otrzymuje się układ równań różniczkowych
Zakłada się, ze wymiar przestrzeni przegubowej jest równy wymiarowi
przestrzeni zadaniowej (m = n) oraz, że wzdłuż trajektorii xd jakobian
analityczny
jest nieosobliwy. Algorytm jakobianu odwrotnego
rozwiązania odwrotnego zadania kinematyki polega na scałkowaniu układu
nieautonomicznych równań różniczkowych.
Zadanie odwrotne kinematyki
Metoda jakobianu odwrotnego zakłada, że ciągłe zadanie kinematyki posiada
rozwiązanie xd. Wówczas poprzez różniczkowanie po czasie obu stron
zależności
otrzymuje się układ równań różniczkowych
Zakłada się, ze wymiar przestrzeni przegubowej jest równy wymiarowi
przestrzeni zadaniowej (m = n) oraz, że wzdłuż trajektorii xd jakobian analityczny
jest nieosobliwy. Algorytm jakobianu odwrotnego rozwiązania
odwrotnego
zadania
kinematyki
polega
na
scałkowaniu
układu
nieautonomicznych równań różniczkowych.
którego rozwiazanie
przegubowej.
xd(t)
jest
poszukiwana
trajektoria
w
przestrzeni
Zadanie odwrotne kinematyki
Do wyznaczenia tej trajektorii potrzebna jest znajomość warunku
początkowego x0, który wyznaczany jest rozwiązując punktowe zadanie
odwrotne kinematyki
Do rozwiązania tego zadania można skorzystać z Algorytmu Newtona
pozwalającego wyliczyć X0 jako granice
trajektorii układu
zainicjowanego w dowolnym stanie początkowym z parametrem
określającym szybkość zbieżności algorytmu.
Z połączenia algorytmu punktowego i ciągłego można uzyskach asymptotyczny
algorytm kinematyki odwrotnej.
Kinematyka manipulatora SCARA
Ciekawe strony
www.asimo.pl
www.cyberowca.info
aitech.pl
www.robotyka.com
www.thocp.net/
www.astor.com.pl
www.piap.pl