Transcript Souřadnicové systémy průmyslových robotů

Název projektu : Modernizace výuky
Grantový projekt : CZ.1.07/1.1.16/01.0036
Multimediální učební materiál pro výuku předmětu automatizace
Téma :
Část :
ROBOTIKA
Teorie průmyslových robotů
Autor : Jan Horňák
Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická
Brno, Sokolská 1
• Základním rysem technického pokroku je snaha nahrazovat fyzické
zapojování člověka do výrobního procesu automatickými systémy. Rozvoj
automatizace především ve 2. polovině dvacátého století je podmíněn
především nástupem elektroniky, mikroelektroniky a moderní řídící
techniky na bázi PC. Ruku v ruce s tím jde rozvoj robotiky.
První průmyslový robot byl nasazen do výroby roku 1967. Nejvíce jsou
roboti nasazováni v automobilovém průmyslu na linkách konečné montáže,
dále pak v montáži spotřební elektroniky a na mnoha dalších místech, kde
mohou odstranit těžkou, monotónní, nebezpečnou práci člověka nebo
tam, kde je zapotřebí dosahovat dlouhodobě přesné výroby .
V prostředí nepřátelském a nebezpečném pro člověka je pak
nezastupitelné místo robota – to jsou práce pod vodou, v kosmickém
prostoru, v radioaktivním prostředí jaderných elektráren a v podzemí,
roboty se uplatňují při požárech v hutnictví, v chemickém průmyslu, při
odstraňování výbušnin, odminování apod.
• Robot je autonomně fungující stroj – automat, který je určen
k reprodukci některých pohybových a duševních schopností člověka
při vykonávání výrobních či jiných činností a operací bez
bezprostřední účasti člověka.
•
•
•
•
•
•
•
Hlediska posuzování robota :
Manipulační schopnost
Počet stupňů volnosti
Hmotnost manipulovaného břemena
Dosahovaná přesnost
Rychlost pohybů
Konstrukce robota
Způsob a rozsah řízení
Manipulátory nazýváme ručně řízená zařízení.
Jednoúčelové manipulátory mají omezenou funkci na
několik jednoduchých pohybů a slouží vesměs
k automatizaci jednoúčelových strojů a linek hromadné
výroby– nazývají se často podavače.
Hranice mezi manipulátory a průmyslovými roboty
není přesně stanovena, (původní termín manipulátory,
používaný pro zařízení řízená ručně nebo automaticky,
dospěl vývojem k označení průmyslový robot).
• Průmyslové roboty jsou univerzálně použitelné
automaty pro vykonávání pohybů, které zastávají
funkci člověka, především u výrobního stroje. Jsou
programovatelné v několika osách a pomocí
chapadel, nástrojů a senzorů mohou vykonávat velké
množství různých pracovních úkonů.
Zabezpečují zejména manipulační operace, ale jsou
využitelné i pro technologické operace. Uplatňují se
v kusové a velkosériové výrobě.
Složitost řídícího systému určuje tzv. generace
robotů.
Rozdělení průmyslových robotů podle
generací :
• Roboty první generace jsou řízeny programem
bez zpětných vazeb (bez senzoriky automatické ovládání). Jsou to zařízení určená
pro vykonávání pevně naprogramovaných
postupných operací
Roboty druhé generace jsou roboty vyšší
úrovně, v řídících obvodech jsou vybaveny
zpětnými vazbami. Jejich činnost je tedy řízena
nejen programem, ale i podněty z vnějšku
prostřednictvím senzorů.
Jsou snadno a rychle programovatelné.
• Roboty třetí generace jsou inteligentní roboty.
Mají složitý řídící systém pomocí PC, jsou
vysoce pohyblivé, zahrnují složitou senzoriku –
umí se tedy adaptovat na prostředí. Učí se a
samostatně řešit zadané úkoly. Stavebními
prvky robotů jsou mimo jiné vizualizace,
hlasová komunikace, rozpoznávání a orientace
v prostředí. Člověk pouze určuje cíl činnosti
robota a postup k dosažení tohoto cíle si robot
určuje sám.
• Kinematika průmyslových robotů
2.1 Kinematické dvojice
Stroj průmyslových robotů tvoří kinematický řetězec. Ten je tvořen
jednotlivými kinematickými dvojicemi. Nejčastěji se používají
následující kinematické dvojice: Posuvné (translační)
1.Suportové – po delším vedení se posouvá kratší těleso
2.Smykadlové – v kratším vedení se posouvá delší těleso
3.Teleskopické (výsuvné)
Rotační kinematické dvojice
1. Otočné
2. Kyvné
• Kinematické řetězce
Vzájemně spojené kinematické dvojice stroje průmyslového
robota tvoří kinematický řetězec – kinematickou strukturu
průmyslového robota.
Souřadnicové systémy průmyslových robotů
Pomocí souřadnicových systémů jsou
definovány body v pracovním prostoru.
Rozlišujeme absolutní prostorové souřadnice,
souřadnice stroje a souřadnice chapadla:
Souřadnice prostorové (pravoúhlé, kartézské)
Polohy bodů v pracovním prostoru jsou
stanoveny pomocí pravotočivého pravoúhlého
souřadnicového systému. Vztahují se vždy
k počátku souřadného systému (absolutně). Ke 3
pravoúhlým osám X, Y, Z je třeba definovat tzv.
orientaci – natočení osy chapadla robota
v prostoru vzhledem k těmto osám A, B, C.
K najetí na požadovaný bod v prostoru potřebuje
chapadlo 6 na sobě nezávislých směrů pohybu –
tzv. stupňů volnosti.
Souřadnice stroje
V případě průmyslových robotů s kloubovými
rameny lze určit polohu jednotlivých os
uvedením úhlu natočení ramen (α, β, γ, atd.).
Jsou to souřadnice vztažené ke stroji, které
mohou být řídícím systémem přepočítány na
pravoúhlé prostorové souřadnice.
Souřadný systém, vztažený k chapadlu.
Počátek souřadnicových os je umístěn do
středu chapadla. Kladný směr osy Z směřuje
od chapadla směrem k součástce – hlavní
pracovní směr.
Části průmyslového robota
Hlavní součásti stroje průmyslového robota :
•
•
•
•
Stojan (pevný nebo mobilní)
Ramena
Zápěstí
Hlavice (nebo chapadlo)
4.2 Části systému průmyslového robota
Motorický systém zajišťuje vlastní pohyb
robota a aktivně působí na prostředí.
Senzorický systém přijímá prostřednictví
receptorů (snímačů) informace o prostředí.
Řídící systém zpracuje informace o prostředí a
na základě programu provádí řízení veškeré
činnosti robota.
4.2.1 Motorický systém robotů
Motorický systém robotů (efektory) zajišťuje veškerý
pohyb robota. Podle rozsahu pohybu robota
rozlišujeme tři druhy pohybů:
pohyby manévrovací (globální) – vykonává lokomoční
podsystém
pohyby operační (regionální) – vykonává manipulační
podsystém
pohyby suboperační (místní) – vykonává manipulační
podsystém
1. POHYBY MANÉVROVACÍ (GLOBÁLNÍ)
To jsou takové pohyby, které umožňují přesuny na
vzdálenosti větší než jsou celkové rozměry robota.
Robot, který může provádět manévrovací pohyby,
je mobilní robot, ten který je nemůže provádět je
stacionární. Manévrovací pohyby provádí
lokomoční podsystém. Většina současných typů
průmyslových robotů je v tomto smyslu
nepohyblivá a jejich poloha v prostoru je pevně
fixovaná.
Plně mobilní roboty pracují zpravidla pod přímým
a nepřetržitým dohledem člověka. Snaha
konstruktérů mobilních robotů je postavit co
nejpohyblivějšího robota, schopného např. otočit
se na místě (to se dociluje např. tříkolovým
podvozkem, u kterého jsou všechny kola nezávisle
řiditelná). Další snahou konstruktérů je docílit
vysoké průchodivosti robota (pásové pohony
umožňují lépe překonávat překážky, např.
schody).
2. POHYBY OPERAČNÍ (REGIONÁLNÍ)
Jsou to pohyby, které robotu umožňují
přemisťovat výstupní hlavici do různých bodů
pracovního prostoru, který je vymezen
prakticky rozměry robota. Operační pohyby
jsou prováděny manipulačním podsystémem.
Průmyslové roboty nahrazují člověka u výrobního stroje
a coby manipulační zařízení nahrazují především
lidskou ruku. Lidská ruka má 27 stupňů volnosti
(rameno 2° volnosti, paže 1°, loketní kloub 1°, předloktí
s dlaní 1°, zápěstí 2°, palec 3°+1°, 4 prsty a‘4° volnosti –
tj. celkem 27° volnosti). Pro obecné zajištění polohy a
orientace předmětů ve volném prostoru je dostačující
pouze 6 stupňů volnosti (3 stupně pro polohování + 3
stupně pro orientaci).
V podstatě je počet stupňů volnosti roven počtu veličin,
které musíme znát, abychom pro konkrétní
manipulační orgán určili jednoznačně jeho polohu
v prostoru.
3. POHYBY SUBOPERAČNÍ (MÍSTNÍ)
Jsou to pohyby výstupní hlavice souměřitelné
s rozměry hlavice. Patří sem např. zdvih čelisti
chapadla, nevelké orientační pohyby, kterými se
chapadlo orientuje vzhledem k uchopovanému
předmětu. Suboperační pohyby provádí rovněž
manipulační podsystém.
Manipulační podsystém tedy vykonává operační a
suboperační pohyby. Ty jsou pro roboty
charakterističtější než manévrovací, protože každý
robot, podobně jako člověk, mění svou rukou své okolí.
V charakteristice robota hraje důležitou roli údaj o
počtu stupňů volnosti. Většina průmyslových robotů
má 5 až 6 stupňů volnosti, vlastní rameno má 3 stupně
volností u těchto jednoduchých kinematických struktur
stačí k tomu, aby rameno dosáhlo libovolného
zadaného bodu v pracovním prostoru, zadat 3
souřadnice, které jsou právě totožní s běžně užívaným
souřadnými soustavami.
Každá varianta vymezuje určitý teoretický operační
prostor robota, ve kterém by měl svým chapadlem
dosáhnout libovolného bodu. Při praktickému
provedení vznikají v pracovním prostoru „hluchá“
místa, do kterých robot nedosáhne.
Zvýšení stupňů volnosti zvyšuje
manipulační schopnosti robota.
Zároveň se ovšem zvyšují nároky na
řídící systém robota.
4.2.1.1 Kinematika robotů
U robotů se v praxi nejvíce rozšířily čtyři
základní typy kinematických dvojic, kterým
potom odpovídá určitý pracovní prostor
robotů. Pracovní prostor je oblast, kterou
obsáhne koncový bod ramene robota.
a) pravoúhlá (kartézská) soustava
• TTT - tři přímočaré (translační) pohyby.
Pracovní systém má tvar hranolu (kvádr nebo
krychle). Používá pravoúhlý souřadný systém.
Výhody : Systém je velmi stabilní a přesný (je to
nejpřesnější systém), má jednoduché řízení.
Nevýhody : nižší prostorová pohyblivost.
b)válcová (cylindrická) soustava
TTR – dva přímočaré a jeden rotační pohyb.
Pracovní prostor má tvar válcového segmentu.
Výhoda : robustní systém s jednoduchým
řízením.
c) sférická (kulová) soustava
TRR – jeden přímočarý a 2 rotační pohyby.
Pracovní prostor má tvar kulového segmentu.
Výhoda : dobře umístěná zóna obsluhy a vyšší
pohyblivost.
Nevýhoda : robot však má menší pracovní prostor
a složitější řízení.
d) torusová (složená, angulární, anthropomorfní)
soustava RRR – tři rotační pohyby.
Pracovní prostor má tvar torusového segmentu
(torus =“OBLOUN“).
Používá kulový souřadnicový systém.
Výhoda :Roboty mají dobrou manipulační
schopnost, vysokou pohyblivost.
Nevýhoda : při náročnějším řízení dosahují nižší
pracovní přesnosti.
Dále pak , kromě uvedených 4 základních, se
často objevují ve světové produkci i průmyslové
roboty v dalších modifikacích (např. TRT, atd.).
4.2.2 Senzorický systém robotů
Činnost řídícího systému robota je podmíněna existencí informací o
skutečné poloze, stavu dalších funkčních částí, změnách parametrů
pracovního prostředí apod.
Snímače jsou měřiče většinou neelektrických fyzikálních veličin
(poloha, rychlost, zrychlení) na elektrický signál, který je dále
zpracován a veden do vlastního řídícího systému.
Z hlediska druhu informace lze rozlišit:
• snímače vnitřní informace
• snímače vnější informace
1. SNÍMAČE VNITŘNÍ INFORMACE
Jsou určeny jako tzv. vnitřní zpětná vazba ke
zjišťování stavu průmyslového robota
(např. poloha jednotlivých částí stroje,
rychlost, zrychlení, síla, momenty, tlak, apod.).
Podle charakteru výstupního signálu je lze
rozdělit na analogové a číslicové.
a) Analogové snímače pracují se změnou
některého ze základních parametrů elektrického
obvodu. Jsou to snímače odporové, indukčnostní
nebo kapacitní.
U průmyslových robotů se nejčastěji používají
snímače potenciometrické, které převádějí
přímočaré posunutí nebo natočení jezdce na
změnu elektrického napětí, dále polohové
transformátory, selsyny, indukčnostní snímače
apod
b) Číslicové snímače dovolují interpretovat
polohu nebo rychlosti lze získat kódovými
kotouči, nejčastěji rotačními (nebo lineárními)
inkrementálními snímači, pracujícími se
sledem impulsů, získaných posunutím o
násobek jednotkových kroků (inkrementů).
Mezi diskrétní odměřovací prostředky patří
rovněž koncové spínače a clony.
Snímače velikost každého skutečného posunu
odměřují buď prostřednictvím absolutního
nebo inkrementálního (přírůstkového)
odměřování.
1) Absolutní odměřování
dává okamžitou informaci o poloze součásti,
jejíž polohu odměřujeme, bez ohledu na to,
kde dříve byla. Proto nahodilé chyby nemají
vliv na další výsledky měření.
2) U inkrementálních (tj. přírůstkových)
systémů počítáme kolik elementů přibylo
nebo ubylo směrem od nebo směrem k určité
výchozí poloze. Výchozí poloha musí být
neměnná. Inkrementální odměřování se
realizuje principiálně stejně pro rotační i
přímočarý pohyb. Pohybující se součást je
spojena s clonkou (nebo řadou clonek) které
přerušují proud stlačeného vzduchu,
magnetický tok, světelný tok, elektrický proud.
2. SNÍMAČE VNĚJŠÍ INFORMACE
Jako tzv. vnější zpětná vazba jsou určeny ke zjišťování stavu
pracovního prostředí a k interakci průmyslového robota
s tímto prostředím. Jsou buď přímo součástí konstrukce
průmyslového robota, nebo jsou umístěny v jeho pracovní
zóně. Mohou zjišťovat relativní polohu systému hlavice –
objekt v prostoru, tvar a rozměry objektů v prostoru nebo
parametry pracovního prostředí Mezi nejdůležitější
informace z pracovní zóny průmyslového robota patří
informace o poloze, tvaru a rozměrech objektů. Tato zpětná
vazba kontroluje vně robota, zda jeho chapadlo a předměty,
s nimiž má manipulovat, jsou tam, kde mají být, respektive
sděluje, kde skutečně jsou. K získání těchto informací je
využívána celá řada principů.
Jsou zde užívány zejména koncové spínače,
dorazy, clony, infračervená čidla překážek,
taktilní neboli hmatová čidla pneumatická,
elektrická kontaktní i bezkontaktní, čidla
kovových předmětů s oscilátory a různé
optické systémy až po televizní a termovizní
kamery. Patří sem fotoeletrické snímače,
pracující na principu měření intenzity
odráženého světelného toku.
Nejrozšířenější skupinou jsou dotykové snímače;
nejjednodušší jsou kontaktní spínače – mají dvě
pracovní polohy: zapnuto – vypnuto. Mezi ně patří
snímače typu mikrospínače. Princip rozpoznávání je
založen na zobrazení povrchu zkoumaného objektu
množinou bodů ve stanovených rovinách. Snímač je
tvořen soustavou jehlových dotykových prvků, jejichž
poloha odpovídá zvoleným rovinám a které jsou
umístěny v hlavici. Při zachycení objektu jsou v řídícím
systému porovnány signály dotykových snímačů
s modely jednotlivých objektů, které jsou uloženy
v paměti řídícího systému.
Další skupinou jsou snímače vizuální informace o
pracovním prostředí. Jednodušší konstrukce
využívají snímačů realizovaných sestavou
fotodiod. Dokonalejší systémy používají
integrovaných matic CCD, které umožňují
lokalizaci objektu v prostoru, případně určení
rozměrů a základních geometrických vlastností.
Televizní systémy vizuální informace využívají
kamer, v současné době již s digitálním výstupem;
vizuální informace jsou základem vnitřního
modelu prostředí pro řízení činnosti robota.
4.2.3 Řídící systém robotů
Starší roboty měly řídící systém realizován
např. pomocí vačkových mechanismů se
spínači apod.. U nových se využívá
mikroprocesorů a mikropočítačů:
Řídící systémy se třídí podle různých hledisek:
Podle časového průběhu lze řídící systémy dělit:
• časově závislé (řídí manipulační část podle
pevného časového plánu)
• závislé od vykonávané práce (robot vše řídí
podle průběhu procesu)
• smíšené systémy – těch je většina
Podle způsobu programování se řídící systémy
dělí:
• systémy s pevným programem (spíše dříve,
např. vačkové systémy)
• programovatelné (plán práce = program lze
snadno měnit).
Podle způsobu zpracování informace v řídícím
systému se systémy dělí na analogové a číslicové
Podle průběhu dráhy manipulačního systém
dělíme řízení na:
PTP řízení – řízení bod po bodu (Point to Point) –
bodové řízení – manipulační nebo
technologická operace je rozdělena do
poměrně malého počtu jednoduchých kroků
(obvykle 30 až 50)
• CP řízení – (Continues Path) - spojité řízení –
klade vyšší nároky na počítač, přesnost a
vlastnosti výkonných orgánů. Řízení podle
souvislé trajektorie klade mnohem vyšší
nároky na paměť programu, na vytvoření
vhodné programovací metody. Na druhé
straně však umožňuje realizaci daleko
komplexnějších pohybů výkonné části a
činnosti ve složitě členěném pracovním
prostoru s mnoha omezeními.
5. Způsoby programování průmyslových robotů
Programování průmyslových robotů je
uskutečňováno prostřednictvím
programovacího software (firemní záležitost
dle výrobce).
Způsoby programování jsou následující:
1) Přímé programování
a) Ruční programování – zadávání hodnot
souřadnic ručně na klávesnici PC
b) Metoda „teach-in“
- zadávání povelů
(instrukcí) a souřadnic prostřednictvím
ovládacího panelu (tzv. teach-in box)
Zdlouhavé a časově náročné zadávání
jednotlivých souřadnic je nahrazeno tím, že
řídící systém sám snímá prostřednictvím
zaučovací jednotky průběh požadované dráhy
v krokovém režimu, ty pak ukládá do paměti.
Po vyvolání příslušného programu je dráha
k dispozici.
c) Metoda „play-back“ - metoda „opakování
záznamu“
Zadávání prostorové křivky pohybu robota
zadává člověk – profesionál daného oboru,
řídící jednotka pohyby zaznamenává
(souřadnice pohybu) a potom robot sám
zadaný program přehrává vyvoláním
příslušného prpogramu z řídící jednotky.
Vhodné pro svařování, lakování, atd.
2) Nepřímé (off-line) programování – zadávání
trajektorie pohybu ve formě prostorových
křivek (nejčastěji z výkresu). Není řešeno
v reálném čase.
3) Přímé plánování (on-line) - jako předchozí
plus přizpůsobování robota vnějším
podmínkám (prostřednictvím senzorů), tzn.
Řešeno v reálném čase.
6. Příklady použití ve strojírenské praxi
ZDROJE:
- Školící a tréningové materiály, Ing. Milan Begeš, Mitsubishi
electric, Ostrava, 2006 .
- Robotika, Doc. Ing. František Šolc, CSc a kol., FEKT VUT Brno,
2002
- Automatizace pro obor slaboproudá elektrotechnika,
Ing. Miroslava Odstrčilíková, SPŠE Brno, 2003
- Vlastní zdroje