Robotyka, MiBM- PB

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
1
Robot jako system komputerowy
Materiał wykładowy
opracowany przez dr. hab. inż. Marka Gawrysiaka
profesora na Wydziale Mechanicznym Politechniki Białostockiej
Rozdział 1
Kiedy maszyna staje się robotem?
Robot – pojęcie niejasne
Historia urządzeń robotycznych
Kiedy maszyna staje się robotem?
Poziomy automatyzacji, rodzaje robotów
Robot – automatycznie działająca maszyna wytwórcza
Przykład zastosowania robota
Wycieczka w historię, definicję i konfiguracje robota
Rozdział 2
Ręka robota – manipulator
Robot hipotetyczny, jego funkcje i elementy
Ręka robota i przedstawienie jej położenia
Przekształcenia układów współrzędnych ręki
Geometria i kinematyka ręki
Napęd nadążny manipulatora
Zbiór funkcji manipulatora
Rozdział 3
Zmysły robota – sensoryka
Sensoryka dotykowa, siłowa i wzrokowa
Zbiór funkcji sensorycznych
Procesy równoległe i ich sterowanie
Podstawowe rozkazy synchronizacji
Program sterujący
Aktywacja zestawu funkcji
Sterowanie torem ruchu (trajektorią)
Rozdział 4
Programowanie robotów
Typy danych
Powiązanie układów współrzędnych
Operatory działań
Struktura programu sterującego
Makrofunkcje
Struktury składniowe
Program montażu robotycznego
Podsumowanie
Bia
ł
łystok 2006
G
AWRYSIAK
– Robot jako system komputerowy
2
Rozdzia
ł
ł
1
Kiedy maszyna staje się robotem?
Robot – pojęcie niejasne
Historia urządzeń robotycznych
Kiedy maszyna staje się robotem?
Poziomy automatyzacji, rodzaje robotów
Robot – automatycznie działająca maszyna wytwórcza
Przykład zastosowania robota
Wycieczka w historię, definicję i konfiguracje robota
Robot – pojęcie niejasne?
Słowo „robot” w językach słowiańskich oznacza pracę w ogóle lub jej odmiany. Twórcą tego słowa
jest czeski pisarza K. Č
APEK
(1890-1938). W latach dwudziestych naszego stulecia napisał on sztukę
pod tytułem RUR (Rozumu Uniwersalne Roboty). W sztuce tej Č
APEK
stworzył automatyczne urzą-
dzenia o ludzkim wyglądzie i wyposażone w „ludzkie” uczucia. W rzeczywistości, historycznie rzecz
biorąc, koncepcja „robota” pojawiła się znacznie później niż odpowiednie urządzenia (systemy), które
miały odpowiadać tej nazwie.
Nie istnieje do tej pory jasna i powszechnie zaakceptowana definicja robotów. Jeżeli zapytamy grupę
osób co znaczy słowo „robot”, to większość z nich prawdopodobnie odpowie, że jest to urządzenie
automatyczne podobne do człowieka. Niektórzy opiszą urządzenie, które można bardziej dokładnie
zdefiniować jako manipulator lub ręka automatyczna. W
Słowniku Języka Polskiego
można znaleźć
następującą definicję robota: „maszyna, urządzenie techniczne imitujące działanie (czasem nawet
wygląd) człowieka, odznaczające się określonym poziomem automatyzacji”.
Inne definicje usiłują podkreślić, mniej lub bardziej, różne istotne (kluczowe) cechy robota: zastępo-
wanie człowieka, autonomiczność (samodzielność) pracy, programowalność i „inteligencję” (robot
inteligentny), możliwość przemieszczania się (mobilność), zastosowanie przemysłowe (robot przemy-
słowy) lub w usługach (robot usługowy). Z definicji tych wynika, że linia oddzielająca robot od zauto-
matyzowanych maszyn nie jest zawsze łatwa do określenia. Ogólnie biorąc, im maszyna jest bardziej
skomplikowana i zindywidualizowana, tym bardziej prawdopodobne jest jej zaklasyfikowanie do grupy
urządzeń robotycznych.
Historia urządzeń robotycznych
Historyczny rozwój urządzeń i systemów robotycznych wynika z powiązania dwóch różnych dróg
twórczości (kreatywności): 1) wczesnej automatyzacji i zegarmistrzostwa, oraz 2) unowocześniania
(innowacji) urządzeń w przemyśle maszynowym. Do mniej więcej połowy XVIII wieku utalentowani
rzemieślnicy-artyści budowali nie tylko zegary wodne i sprężynowe, ale także modele zwierząt i ludzi
(androidy). Lista tych automatycznie wprawianych w ruch zwierząt, ludzi czy ptaków jest ogromna. Cel
tej twórczości technicznej był, jak byśmy go dziś nazwali, rozrywkowy, a nie produkcyjny. Rzemieślni-
cy, zaangażowani w „produkcję” tego rodzaju automatów, byli jednak ogromnymi innowatorami i na-
gromadzili potężne umiejętności praktyczne.
Można przyjąć, że pierwszym reprezentantem urządzenia robotycznego był zegar wodny (klepsydra
wodna). Wynaleziony prawdopodobnie około 250 p.n.e. był on w stanie automatycznie powtarzać swój
cykl pracy (odwracanie klepsydry). Odśrodkowy regulator szybkości, wynaleziony przez W
ATT
a pod
koniec XVIII wieku razem z systemem automatycznie sterowanych zaworów, uczynił silnik parowy
pierwszym urządzeniem automatycznym zdolnym do utrzymywania prawie stałej szybkości obrotowej
koła zamachowego, niezależnie od zmian obciążenia. Podobnie silnik spalinowy, wynaleziony w XIX
wieku, służy jako przykład innego, automatycznie pracującego urządzenia, realizującego w sposób
powtarzalny ssanie, sprężanie i zapłon mieszanki paliwowej. Rewolucja przemysłowa przyczyniła się
do powstania wielu maszyn, operujących automatycznie; najpierw w przemyśle włókienniczym a póź-
niej w budowie obrabiarek i innych operacjach przemysłowych. Najbardziej błyskotliwym wynalazkiem
G
AWRYSIAK
– Robot jako system komputerowy
3
tego rodzaju było krosno tkackie J
ACQUARD
a. W celu szybkiej produkcji tkanin o różnych wzorach wy-
korzystywało ono system sterowania za pomocą taśmy dziurkowanej. Maszyna ta, wprowadzona do
przemysłu już w roku 1801, opierała się na idei, która daje się stosować do prawie wszystkich definicji
robota, to znaczy maszyna była programowalna i pomyślana do wykonywania różnych wzorów.
Pod koniec XVIII wieku zbudowano tokarkę ze śrubą pociągową. Główną cechą tej maszyny jest me-
chanizm śrubowy napędzający wózek (suport) z zamocowanym nożem skrawającym. Mechanizm ten
zazębia się (za pomocą przekładni) z wrzecionem tokarki. Przez zmianę przełożenia przekładni moż-
na praktycznie otrzymać dowolny skok gwintu. Oznacza to, innymi słowy, zmienny program przez
sterowanie śrubą pociągową. Można to traktować jako zwiastun (prekursor) technik śledzenia stoso-
wanych szeroko w tokarkach i frezarkach. Późniejsze narzędzia są w pewnym zakresie systemami
robotycznymi. Kolejne udoskonalenia tych obrabiarek prowadzą do stworzenia tokarek automatycz-
nych o naturze czysto mechanicznej (automatów tokarskich), do masowej produkcji takich części, jak
szpilki, śruby, nakrętki i podkładki. Maszyny te były, i ciągle są, programowalne mechanicznie. Wzo-
rzec, produkowany w danej chwili, można po kilku godzinach wymienić na inny. Wiele takich maszyn
wyprodukowano po raz pierwszy w latach między rokiem 1920 a 1930.
Po II wojnie światowej, wprowadzono do produkcji tokarki i frezarki sterowane numerycznie (NC, Nu-
merically Controlled). Maszyny te były bardziej elastyczne od automatów tokarskich z punktu widzenia
zmienialności programu. Na tym poziomie udoskonaleń pozycjonowanie narzędzia względem materia-
łu obrabianego można zrealizować przez programowanie przemieszczeń od punkt do punktu. Gdy
skomputeryzowane maszyny sterowane numerycznie (CNC, Computerized Numerically Controlled)
zastapiły maszyny NC, programowanie stało się bardziej wymyślne (złożone) – tory i trajektorie na-
rzędzi zaczęto obliczać przez komputer maszyny. Na tym poziomie udoskonaleń operator musiał zde-
finiować zarówno rodzaj trajektorii (np. linię prostą lub łuk) i właściwe parametry trajektorii (np. współ-
rzędne punktów łączących linię prostą lub początek układu współrzędnych i promień łuku, itd.). Inne
ulepszenia polegają na przykład na: (1) równoległym, ciągłym pomiarze części obrabianych, w celu
ustalenia momentu, w którym narzędzie wymaga naostrzenia, wymiany lub obrócenia; (2) obliczaniu
optymalnych warunków pracy, takich jak prędkość skrawania, posuw i głębokość skrawania; oraz (3)
wymienianiu narzędzi dostarczanych w kolejnych etapach (sekwencji) obrabiania (procesowania).
Opisaliśmy rozwój tokarki jako reprezentanta świata maszyn przemysłowych operujących automa-
tycznie. Podobnie można przedstawić rozwój maszyn włókienniczych lub drukarskich. Skomputeryzo-
wany system drukowania, dostępny dziś powszechnie, całkowicie zmienił obraz tradycyjnego drukar-
stwa mechanicznego.
Kiedy maszyna staje się robotem?
W definicjach robotów znajdujemy wiele powtarzających się określeń (słów kluczowych). Należą do
nich: manipulator (mechanizm), programowalność, możliwość ruchu w kilku kierunkach, wyposażenie
w narzędzie robocze (końcówkę roboczą, efektor końcowy), zdolność wykonywania pracy wykonywa-
nej przez człowieka w procesie przemysłowym (przemieszczanie materiałów, narzędzi lub urządzeń
specjalistycznych), wbudowany układ sterowania, wielofunkcyjność (zmiennie programowalne ruchy w
celu wykonania różnych zadań), samodzielność (autonomiczność) itp. Z tego zestawu określeń można
wyciągnąć wniosek, że np. pralka automatyczna czy obrabiarka automatyczna wykazują cechy urzą-
dzeń robotycznych. Czy jest więc coś złego w definiowaniu pralki, czy obrabiarki automatycznej jako
robota?
W rzeczywistości żyjemy w świecie produktów wytwarzanych na maszynach o przytoczonych wyżej
charakterystycznych cechach robotów a różniących się jedynie poziomem złożoności. Produktami
takimi na przykład, są: słoiki na dżemy czy produkty spożywcze; łożyska kulkowe i długopisy (pióra
kulkowe); śruby, nakrętki, podkładki, gwoździe i nity; skarpety i buty; kostki (chipy) elektroniczne,
oporniki, kondensatory i płytki drukowane; cukierki i lody. Listę tę można rozszerzyć, przez baterie i
filmy fotograficzne, do wielu, wielu innych produktów. Produkty te łączy jedna wspólna cecha – są one
całkowicie lub częściowo wytwarzane przez maszyny działające automatycznie.
Powstaje więc problem jak określić czy dana maszyna jest robotem, a jeżeli tak, to jaki jest to rodzaj
robota. W tym celu musimy rozważyć pewne kryteria ogólne, bez których żaden układ (system) nie
może istnieć. Aby rozważania były jasne, musimy sklasyfikować maszyny automatyczne według ich
poziomu „intelektualnego” („umysłowego”). Taka klasyfikacja pomoże nam zrozumieć każdą koncep-
cję automatyzacji i umieścić ją we właściwym miejscu, w odniesieniu do innych koncepcji.
G
AWRYSIAK
– Robot jako system komputerowy
4
Poziomy automatyzacji, rodzaje robotów
(Według: S
ANDLER
B.Z.:
Robotics. Designing the mechanism for automated machinery
. Prentice-Hall Inc. 1991)
Każde narzędzie, używane przez człowieka, można opisać za pomocą schematu na rysunku 1. Źródło
energii, jednostkę sterującą oraz samo narzędzie można wzajemnie powiązać w różny sposób. Te trzy
składowe nie muszą być podobnej natury lub mieć podobny poziom złożoności. Za pomocą tego
schematu (modelu) można przebadać każde urządzenie techniczne, określić czy należy ono do rodzi-
ny robotów, a jeżeli tak, to do jakiej gałęzi tej rodziny. Schemat ten może opisać każde narzędzie:
młotek, szpadel, samolot, komputer, rakietę, pojazd księżycowy, czy maszynkę do golenia. Każdy z
tych przykładów ma źródło energii, środki sterowania, oraz narzędzie do wykonywania wymaganych
funkcji. Na tym etapie powinniśmy pamiętać, że nie istnieje żadna granica liczby elementów w żadnym
systemie. Oznacza to, że system może składać się z wielu podobnych lub różnych źródeł energii,
podobnych lub niepodobnych środków sterowania różnymi parametrami i, oczywiście, podobnych lub
różnych narzędzi. Szczegóły tego rodzaju schematu określają czy dany system można zdefiniować
jako robot czy nie. Popatrzmy teraz na tabelę 1. Pokazuje ona schematycznie różne możliwości, które
tworzą 10 poziomów automatyzacji.
ENERGIA
STEROWANIE
NARZĘDZIE
Rys. 1
Powiązanie narzędzia z energią i sterowaniem
Tab. 1
Poziomy automatyzacji
Legenda
Uwaga:
Zaczernione pola oznaczają działanie ręczne
System
D
Energia napędzająca
Wzmacniacz
Sterowanie
C
Komputer
A
Energia wzmacniająca
Narzędzie
Sprzężenie zwrotne
M
Pamięć
1
D
Źródłem energii jest osoba; środkami sterowania – jej ręce. Przykła-
dy: młotek, łopata, szpadel, nóż, czy dłuto rzeźbiarza. Gdy osoba
operuje młotkiem, tor młotka, moc i tempo uderzeń są sterowane
przez nią samą, przez operatora. Sprzężeniem zwrotnym, czyli
czujnikiem informującym operatora o rzeczywistym położeniu młot-
ka, jest szybkość, a jego zgromadzona energia to energia mięśni
ramienia, dłoni, pleców człowieka; udział w tym biorą także oczy.
Oczywiście jest to słuszne również dla szpadla, dłuta i innych na-
rzędzi ręcznych.
2
Źródłem energii jest silnik, ale środki sterowania są ciągle w ręku
człowieka. Np. prosta tokarka, wiertarka, wiertarka dentystyczna,
maszyna do szycia z silnikiem elektrycznym, golarka z napędem
elektrycznym lub mechanicznym. Do pewnego zakresu ta grupa
maszyn również zawiera maszyny napędzane siłami mięśni innej
osoby (lub zwierzęcia), czy napędzane nogami tej samej osoby.
D
G
AWRYSIAK
– Robot jako system komputerowy
5
A
Źródłem energii jest silnik, środki sterowania pozostają ręczne, ale
są sztucznie wzmacniane: Np. protezy sterowane „mięśniami” elek-
trycznymi czy układ wspomagania kierownicy w samochodzie pod-
legają temu przypadkowi w pewnym zakresie.
3
D
D
Źródłem energii jest osoba, ale funkcję sterowania pełni (szerego-
wo) system. Np. ręcznie napędzana maszynka do mięsa czy ma-
szyna do pisania. Obracając korbą maszynki do mięsa operator
dostarcza urządzeniu energii potrzebnej do transportowania mięsa
do urządzenia tnącego (nożyk-sitko), posiekania mięsa i wyciśnięcia
go przez otwory sitka. Prędkość dostarczania, czyli transportowania
mięsa, jest koordynowana z tempem siekania przez skok ślimaka
oraz wymiary i kształt maszynki. Podobnie, gdy naciskamy klawisz
maszyny do pisania następuje sekwencja zdarzeń: taśma jest pod-
noszona, młoteczek z literą jest przyspieszany w kierunku papieru, a
wózek, trzymający papier, przeskakuje o jeden krok. Ta sekwencja
jest wbudowana w łańcuch kinematyczny urządzenia.
4
5
Źródłem energii jest silnik a sterowanie realizowane jest (szerego-
wo) przez kinematykę systemu. Np. automat tokarski, krosno auto-
matyczne, maszyna do automatycznego naklejania etykiet na butel-
ki, maszyny do napełniania i ważenia. Ta rodzina urządzeń należy
do robotów typu „bang-bang”. Systemy takie mogą być dość ela-
styczne. Na przykład automat tokarski można, przez zmianę wału
krzywkowego, przekształcić z wytwarzania tulejek na podkładki. Na
jednym i tym samym automacie można wytwarzaj najróżnorodniej-
sze części kołowosymetryczne. Tego typu maszyny produkują spi-
nacze biurowe, agrafki, naboje, łożyska toczne, łańcuchy rolkowe i
zębate.
D
6
A
Źródłem energii jest silnik a sterowanie odbywa się automatycznie,
według sztywnego programu i jest wzmacniane. Np. system auto-
matyczny sterowany przez sterowniki nadrzędne (master control-
lers), tj. przekaźniki elektryczne, pneumatyczne czy hydrauliczne.
Systemy takie są elastyczne w ograniczonym zakresie.
D
M
Tak samo jak w 6, ale sterownik jest elastyczny lub programowalny.
Np. automatyczne systemy śledzące (kopiujące). Przykładem może
być obróbka łopatki turbiny. Kształt łopatki drewnianej (wzorcowej)
jest kopiowany przez kopiał (lub czujnik), a przemieszczenia czujni-
ka, gdy cały czas utrzymuje on łagodny styk z zarysem części
drewnianej, są wzmacniane i przekształcane, przez sterowanie, w
przemieszczenia głowicy frezarki. Innym przykładem jest progra-
mowalne krosno J
ACQUARD
a czy obrabiarka sterowana numerycz-
nie.
7
A
D
8
A
Tak samo jak w 4 i 7, ale z dodatkiem sprzężeń zwrotnych, tj. sys-
temów wyjścia, blokowania, pomiaru i dostrajania. Przykładem mo-
że być frezarka z automatycznym dostrajaniem frezu, co wymaga
ciągłego pomiaru wymiarów obrabianych i pomiaru przemieszczenia
frezu. Dodatkowo frez musi być ostrzony, a grubość warstwy usu-
wanej z frezu może być brana w rachunek. Innym przykładem jest
blokowanie krosna, gdy zerwie się nić osnowy lub wątku.
D
G
AWRYSIAK
– Robot jako system komputerowy
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

Robotyka, MiBM- PB

Tematy