Wstęp do Robotyki

1. Wstęp do Robotyki opracowała Mirosława Sas Bojarska na podstawie „Mechatroniki”

2. Unit 1 – Robotyka- wstęp Robotyka. Karel Capek wprowadził w 1920 r. pojęcie „robot”. Czeski dramatopisarz opisał wizję społeczeństwa przyszłości, w którym człekokształtne maszyny miały wykonywać najcięższe prace („robota” to po czesku praca).

3. Unit 1 – Robotyka- wstęp Podział maszyn manipulacyjnych. Dzielą się na: • Manipulatory • Urządzenia Pick – and – Place • Roboty przemyslowe

4. Unit 1 – Robotyka- wstęp • Roboty są uniwersalnymi, programowalnymi maszynami manipulacyjnymi o wielu osiach. • Roboty serwisowe są najczęściej mobilnymi (samoprzemieszczającymi się) maszynami manipulacyjnymi, realizującymi zadania robocze lub transportowe.

5. Unit 1 – Robotyka- wstęp Roboty pasowały do „społeczeństwa taśmy produkcyjnej”, którego cechą jest: • Montonia czynności produkcyjnych, • Stres, hałas, pył, wysoka temperatura, • Obciążenie psychiczne. Mogą przecież zwinnie wykonywać monotonne ruchy powiązane z taktem maszyny czy ruchem taśmy produkcyjnej.

6. Unit 1 – Robotyka- wstęp Roboty są przeważnie budowane jako przegubowe. Zawierają „przegub barkowy”, „przegub ramienia” i „przegub dłoni”. Robot średniej wielkości odpowiada stojącemu pracownikowi. Prędkość jego ruchów jest wyższa niż ta osiągana przy pracy ręcznej (wynosi około 1 m/s). Ma też duży udźwig. Szybkie mikroprocesory umożliwiają wykonanie wielu milionów kroków obliczeniowych na sekundę zapewniając zgodne przemieszczenia poszczególnych osi ruchu (w celu np.. Liniowego prowadzenia narzędzia)

7. Unit 2 – Podział maszyn manipulacyjnych Maszyny manipulacyjne dzielą się na: • Manipulatory • Urządzenia Pick and Place • Roboty przemysłowe i różnią się pod względem sposobu sterowania, programowania i pól zastosowań.

8. Unit 2 – Podział maszyn manipulacyjnych Roboty są uniwersalnymi, programowalnymi maszynami manipulacyjnymi o wielu osiach. W przypadku robotów kolejne ruchy i tor przemieszczeń są swobodnie programowalne. Nie jest potrzebna żadna ingerencja mechaniczna. Tor przemieszczeń i kolejność ruchów mogą być sterowane przy pomocy sensorów.

9. Unit 2 – Podział maszyn manipulacyjnych Roboty serwisowe są najczęściej samoprzemieszczającymi się maszynami manipulacyjnymi, realizującymi zadania robocze lub transportowe. Mogą być to np..: • urządzenia transportowe w szpitalach roznoszące posiłki, • roboty wspinające się do czyszczenia i sprawdzania elewacji wysokich budynków

10. Unit 2 – Podział maszyn manipulacyjnych Stałoprogramowe maszyny manipulacyjne stosuje się w przypadku realizacji ruchów o stałej trajektorii, np.. W produkcji seryjnej przy montażu lub obsłudze prasy. Maszyny (urządzenia Pick – and – Place) takie są często wyposażone w pneumatyczne siłowniki liniowe lub obrotowe. Przeznaczone są do pobierania i odkładania elementów znajdujących się zawsze w tym samym miejscu.

11. Unit 2 – Podział maszyn manipulacyjnych Manipulatory są maszynami realizującymi zadawane ruchy, sterowane ręcznie przy – przeważnie obserwacji wizualnej. Są to urządzenia manipulacyjne przeznaczone do transportowania ciężkich odkuwek przy obsłudze pras kuźniczych lub manipulowania dużymi przecinakami nożycowymi przy pracach rozbiórkowych.

12. Unit 2 – Podział maszyn manipulacyjnych Ruch elementu wykonawczego obsługiwanych zdalnie manipulatorów, teleoperatorów, nadzorowany jest poprzez obraz telewizyjny. • Telemanipulatorów używa się np.: w pomieszczeniach radioaktywnych i eksperymentach kosmicznych. • Mikromanipulatory mogą wykonywać zadania z najmniejszymi elementami (mikroprocesory). Ruch jest wtedy obserwowany przez mikroskop.

13. Unit 3 – Kinematyka Robotów Przydatność robota, jego kształt, przestrzeń robocza i koszty jego sterowania określają rodzaj, konfigurację i liczbę ruchomych członów (także osi i jednostek ruchu). Człony ruchome są prostoliniowe (translacyjne, osie T) lub obrotowe (rotacyjne, osie R)

14. Unit 3 – Kinematyka Robotów Dowolny punkt przestrzeni możemy osiągnąć gdy mamy trzy osie ruchu (osie podstawowe, stosowana jest też nazwa osie regionalne). Tworzą one ramię robota. Ustawienie chwytaka lub narzędzia w dowolnym kierunku w przestrzeni niezbędne są dalsze trzy osie ruchu nazywane osiami dłoni (stosowana jest też nazwa osie lokalne – najczęściej obrotowe).

15. Unit 3 – Kinematyka Robotów Wyróżnia się 3 stopnie swobody określające położenie wybranego punktu ciała w przestrzeni (współrzędne X,Y,Z), oraz 3 stopnie swobody dla jego zorientowania przez obroty wokół osi O (obracanie), osi P (przechylanie poprzeczne) i osi W (przechylanie wzdłużne). W sumie mamy 6 stopni swobody.

16. Unit 3 – Kinematyka Robotów Kinematyka typu TTT wykorzystuje trzy następujące po sobie ruchy liniowe wzdłuż osi głównych. Roboty o tej kinematyce stosuje się jako urządzenia portalowe do montażu oraz do załadowania lub rozładowania palet. Przestrzeń robocza ma kształt prostopadłościanu i jest bardzo duża. Pojedyncze osie muszą się przemieszczać, z różną, ale stałą prędkością.

17. Unit 3 – Kinematyka Robotów Kinematyka typu RTT wykorzystuje dwa ruchy liniowe i jeden obrotowy. Obrotowa kolumna (1 oś) dźwiga oś liniową (2 oś) ruchu pionowego, a ta z kolei oś liniową (3 oś) ruchu poziomego przemieszczeń w kierunku promieniowym. Przestrzeń robocza jest cylindryczna. W trybie sterowania ręcznego można zrealizować dwa przemieszczenia liniowe (osie 2 i 3) oraz obrót (1 oś) będący wycinkiem ruchu koła. Leży on w płaszczyźnie poziomej X/Y. Do sterowania ruchami narzędzia przeliczamy współrzędne kartezjańskie na współrzędne walcowe (współrzędne maszynowe).

18. Unit 3 – Kinematyka Robotów Roboty o kinematyce typu RRT charakteryzują się dwoma osiami ruchu obrotowego (1 i 2 oś) i jedną ruchu liniowego (3 oś). Przestrzeń robocza jest wycinkiem kuli. Ruch przy sterowaniu ręcznym jedną z dwóch pierwszych osi odbywa się po wycinku łuku koła. Podobnie jak w przypadku robota o kinematyce RTT, w trakcie normalnej pracy niezbędne są także przeliczenia współrzędnych kartezjańskich na współrzędne maszynowe (tu współrzędne biegunowe).

19. Unit 3 – Kinematyka Robotów Kinematyka typu RRT z poziomo ułożonym ramieniem jest często spotykanym układem osi (roboty montażowe). Poziomo poruszające się ramię, zbudowane z wykorzystaniem dwóch obrotowych osi (R), przemieszcza oś liniową (T) realizującą ruch pionowy. Przestrzeń robocza ma kształt cylindryczny.

20. Unit 3 – Kinematyka Robotów Taka budowa robota zapewnia duże siły w kierunku pionowym, np. przy łączeniu detali przez wciskanie w montażu. Roboty takie (SCARA) charakteryzują się mniejszą sztywnością w płaszczyźnie poziomej. Najczęściej mają tylko jedną oś ruchu lokalnego (obrotu dłoni) dla orientacji manipulowanego przedmiotu. Selective Compliance Assembly Robot Arm = ramię robota montażowego ze zróżnicowaną podatnością.

21. Unit 3 – Kinematyka Robotów Kinematyka typu RRR występuje gdy wszystkie trzy ruchy są realizowane przez obrotowe przeguby (roboty przegubowe – najczęściej stosowane). Roboty przegubowe potrzebują najmniejszej powierzchni użytkowej i w stosunku do innych h rozwiązań pobierają najmniejszą energię w stosunku do ich przestrzeni roboczej. Są także bardziej sztywne i wytrzymałe od robotów o innej kinematyce.

22. Unit 3 – Kinematyka Robotów Zwiększanie liczby osi ruchu. Często roboty o sześciu osiach ruchu zostają wyposażone w siódmą oś w celu zwiększenia przestrzeni roboczej, np. przez umieszczenie robota na szynach (stosujemy w rozległych obiektach). Siódmą i ósmą oś rozszerzającą kinematykę robota uzyskujemy stosując stół obrotowo-pochylny (korzystne ustawienie obrabianego przedmiotu w stosunku do przemieszczanego przez robot narzędzia).

23. Unit 3 – PYTANIA 1.Na jakie trzy grupy dzieli się maszyny manipulacyjne? 2.Iloma stopniami swobody opisuje się ruch? 3.Jaką typową przestrzeń roboczą ma robot o kinematyce typu RTT? 4.Proszę opisać kinematykę RRT i jej typowe przestrzenie robocze? 5.Czym wyróżnia się kinematyka typu RRR? 6.Dlaczego powiększa się liczbę osi robota o siódmą oś lub siódmą i ósmą oś?

24. Unit4 – Napędy robotów Jako napędy stosuje się przeważnie w robotach silniki elektryczne prądu przemiennego. Napędy hydrauliczne stosuje się tylko w przypadku robotów przeznaczonych dla bardzo dużych obciążeń lub w środowisku gdzie możliwa jest eksplozja (np. roboty lakiernicze). Napędy pneumatyczne stosowane są w najprostszych urządzeniach manipulacyjnych (np. typu Pick –and- Place).

25. Unit4 – Napędy robotów Silniki napędowe umieszczane są możliwie blisko środka przestrzeni roboczej dla redukcji sił bezwładnościowych powodowanych ruchami robota. Obciążenia przyspieszeniowe decydują (przeważnie) o wielkości silnika. Mniejszy wpływ mają obciążenia masowe (udźwig) robota.

26. Unit4 – Napędy robotów Napędy elektryczne. Układ napędowy składa się z silnika prądu przemiennego ze sterowaną prędkością obrotową połączonego z hamulcem elektromagnetycznym i sensorem położenia kątowego. Silnik powinien charakteryzować się możliwie małym momentem bezwładności. Maksymalna liczba obrotów musi być redukowana, ze względu na dużo mniejszą maksymalną prędkość obrotową ramienia robota, za pomocą przekładni: falowych (inaczej elastycznych lub harmonicznych – Harmonic drive) lub rzadziej przekładni planetarnych.

27. Unit4 – Napędy robotów Przekładnia falowa składa się z owalnej tarczy (generator fali) połączonej z wałkiem napędzającym, która – przez łożyskowanie kulkowe – dociska elastyczną tuleję z zewnętrznym uzębieniem do sztywnego, nieruchomego pierścienia z uzębieniem wewnętrznym. Dzięki owalnemu kształtowi tarczy napędzającej zazębienia sztywnego pierścienia i elastycznej tulei stykają się tylko w dwóch przeciwległych punktach. Liczba zębów elastycznej tulei jest np. o dwa zęby mniejsza od liczby zębów sztywnego pierścienia

28. Unit4 – Napędy robotów Jeżeli liczba zewnętrznych zębów elastycznej tulei wynosi np. 200, a wewnętrznego uzębienia pierścienia – 202, to przy jednym obrocie tarczy, tuleja obraca się o 2 zęby (1/100 obrotu). Współczynnik przełożenia redukującego wynosi 1:100. Przekładnie falowe mają prostą budowę, są lekkie, charakteryzują się dobrą sprawnością (>80%), nie mają luzów i wymagają stosunkowo niewielkiej przestrzeni do zabudowy.

29. Unit4 – Napędy robotów Napęd hydrauliczny. Jako napęd hydrauliczny stosuje się siłowniki liniowe połączone z mechanizmem dźwigniowym, siłowniki obrotowe zabudowane bezpośrednio na ramieniu robota albo osiowe silniki tłokowe i silniki łopatkowe. Sterowanie napędami hydraulicznymi realizowane jest za pomocą serwozaworów.

30. Unit4 – Napędy robotów Zaletami napędu hydraulicznego są małe masy, bardzo małe obciążenia bezwładnościowe przy jednocześnie bardzo dużym momencie obrotowym. Łatwo tu także zrealizować zabezpieczenia przeciwwybuchowe. Wadami są ostre wymagania eksploatacyjne i trudności z doprowadzeniem i spływem oleju przez przeguby robota.

31. Unit5 – Chwytaki. Roboty do zadań manipulacyjnych są wyposażone w chwytaki. Najczęściej są to chwytaki szczękowe z napędem pneumatycznym, które przez mechanizm dźwigniowy umożliwiają uzyskiwanie dużej siły chwytu. Szczególnie szeroko mogą otwierać się chwytaki szczękowe z napędem jarzmowym. Przedmioty cylindryczne przenoszone są często chwytakami trójkońcówkowymi. Do chwytania materiałów włókienniczych stosuje się chwytaki z końcówkami wyposażonymi w igły.

32. Unit5 – Chwytaki. Dla uniwersalnych zadań chwytania stosuje się także chwytaki wielokońcówkowe (wzorowane na ludzkiej dłoni). Do chwytania gładkich i płaskich przedmiotów jak np. płyt szklanych i detali z tworzywa sztucznego stosuje się chwytaki przyssawkowe. Niezbędną do tego próżnię uzyskuje się z pompy próżniowej ze zbiornikiem buforowym lub wytwarza przez przepływ sprężonego powietrza przez eżektor (od łac.eiaculare = wyrzucać, używa się też nazwy „strumienica”).

33. Unit5 – Chwytaki. System wymiany chwytaków i narzędzi. Ramię robota jest wyposażone w sprzęg mocujący (interfejs) umożliwiający wymianę narzędzi i chwytaków. Mamy sprzęgi mechaniczne, z napędem pneumatycznym lub elektrycznym. Sprzęgi umożliwiają z reguły przepływ energii oraz sygnałów elektrycznych i pneumatycznych.

34. Unit 6 – Programowanie robotów. Programowanie robotów jest znacznie trudniejsze w porównaniu z programowaniem maszyn sterowanych numerycznie, gdyż oprócz trajektorii ruchu należy także zaprogramować położenie (orientację) narzędzia lub chwytaka. Przeważnie zadanie to nie może być zrealizowane wyłącznie na podstawie rysunków technicznych obrabianego przedmiotu.

35. Unit 6 – Programowanie robotów Stosowanymi metodami programowania robotów są: -metoda Play –back (także programowanie przez obwiedzenie toru ruchu), -metoda teach – in i programowanie współrzędnych punktów toru ruchu, -programowanie Off – line, -interaktywne programowanie graficzne.

36. Unit 6 – Programowanie robotów Wspólnym terminem programowanie uczeniem objęto programowanie wykonywane przez ręczne prowadzenie narzędzia (Play-back) i programowanie wykonywane przy użyciu przenośnego programatora współrzędnych punktów toru (Teach-in).

37. Unit 6 – Programowanie robotów Programowanie Play-back („odgrywać”) jest zatem ręcznym, bezpośrednim przemieszczeniem narzędzia zamocowanego na robocie po przewidzianym torze ruchu (obwiedzenie toru ruchu). Układ sterowania zapamiętuje współrzędne kolejnych punktów toru wszystkich osi ruchu robota. Po przejściu w tryb normalnej pracy robot odtworzy zaprogramowany tor ruchu.

38. Unit 6 – Programowanie robotów Wadą tego programowania jest konieczność poruszania się operatora razem z robotem w jego (robota) przestrzeni roboczej. Stwarza to zagrożenie dla operatora. Jest to też metoda niedokładna ze względu na inne obciążenie robota podczas ręcznego prowadzenia narzędzia, niż przy automatycznym odtwarzaniu.

39. Unit 6 – Programowanie robotów Programowanie Teach-in („nauczać na pamięć”) charakteryzuje się tym, że operator za pomocą pulpitu lub drążka sterującego („Joy-stick”) przenośnego programatora przemieszcza osie ruchu do żądanego punktu toru ruchu lub miejsca obróbki. Po osiągnięciu żądanego położenia i orientacji narzędzia ich współrzędne są zapisywane pod kolejnym numerem adresu danej procedury programu ruchu. Pozwala to na zaprogramowanie następnego położenia i orientacji narzędzia.

40. Unit 6 – Programowanie robotów Podczas pracy automatycznej wszystkie zapamiętane położenia kinematyki robota będą odtworzone według zapamiętanej kolejności. Nauczanie położenia i orientacji odbywa się przez ręczne sterowanie punkt po punkcie. pozostałe rozkazy zostają zaprogramowane z pulpitu sterowania robota lub przy pomocy komputera.

41. Unit 6 – Programowanie robotów Programowanie w językach wyższego rzędu ma charakter strukturalny – tzn. podzielone jest na program główny i podprogramy. Prowadzone jest aż do wprowadzenia konkretnych danych położenia i orientacji narzędzia przy pomocy komputera (rzadziej przez pulpit operatorski robota).

42. Unit 6 – Programowanie robotów Programowanie może się odbywać również za pomocą specjalnych języków z makrami. Poprzez odpowiednie nazwy rozkazów, np.. SPAWANIE, wywołuje się automatyczne generowanie zaplanowanych dla danego rodzaju spawania parametrów. Generowane są zarówno instrukcje ruchu, jak i rozkazy wejściowe i wyjściowe do urządzeń peryferyjnych (np. do źródła zasilania urządzenia).

43. Unit 6 – Programowanie robotów Interaktywne programowanie graficzne – na stanowisku programowania (typu CAD) zostają wytworzone (oprócz instrukcji przebiegu programu i wszystkich instrukcji ruchu) dane określające współrzędne położenia i orientacji narzędzia. Całe zadanie robota jest wirtualnie realizowane na ekranie monitora, a następnie tworzony jest program sterowania robotem.

44. Unit 6 – Programowanie robotów Układy współrzędnych. Do sterowania ruchem robota niezbędny jest jego dokładny opis w przestrzeni roboczej w powiązaniu z obrabianym lub manipulowanym przedmiotem. Do opisu używa się prawoskrętnego, kartezjańskiego układu współrzędnych (układu koordynacyjnego). Układ współrzędnych wykorzystywany przy sterowaniu ruchem i programowaniu robota nazywa się układem współrzędnych programowania lub układem współrzędnych użytkownika.

45. Unit 6 – Programowanie robotów Globalny układ współrzędnych jest podstawowym bazowym układem współrzędnych, który jest trwale przyporządkowany otoczeniu robota. Podstawowy układ współrzędnych robota odnosi się do samego robota i jest tak zdefiniowany, ze jego podstawa leży w płaszczyźnie XY, a oś Z ustawiona jest w jego środku.

46. Unit 6 – Programowanie robotów Układ współrzędnych interfejsu mechanicznego określany jest przy pomocy danych technicznych robota w trakcie jego uruchamiania. Można przy tym uwzględnić ewentualne przedłużenie ramienia (trzeciej osi ruchu) robota. Względem tego układu orientowane są narzędzia i chwytaki.

47. Unit 6 – Programowanie robotów Układ współrzędnych narzędzia i TCP. Układ współrzędnych narzędzia doczepiony jest do wybranego punktu narzędzi TCP (Tool Center Point = centralny punkt narzędzia). Przebieg przemieszczenia punktu TCP tworzy tor ruchu narzędzia robota, a przestrzenne usytuowanie układu współrzędnych narzędzia odpowiada orientacji narzędzia.

48. Unit 6 – Programowanie robotów Podstawowy układ współrzędnych obiektu manipulacji lub obróbki definiuje jego położenie. Jest ściśle powiązany z globalnym układem współrzędnych. W tym układzie współrzędnych prowadzi się programowanie off-line zadań manipulacyjnych. Osie układu odpowiadają najczęściej osiom położenia stołu maszyny lub lub osiom miejsca osadzenia palet magazynowych.

49. Unit 6 – Programowanie robotów Układ współrzędnych obiektu manipulacji. W tym układzie opisywana jest geometria obiektu manipulacji. Jest powiązany z podstawowym układem współrzędnych obiektu manipulacji – zwykle przesunięte są tylko równoległe osie obu układów. Spotykana jest także nazwa „układ obróbczy”. Dane współrzędne w programie obróbki realizowanej przez robot korzystnie jest odnosić do układu współrzędnych obiektu.

50. Unit 6 – PYTANIA 1.Jakie metody programowania stosowane są w przypadku robotów? 2.Jakie wady ma programowanie typu Teach-in? 3.Proszę wyjaśnić programowanie makrami? 4.Jakiego kształtu jest przestrzeń robocza robotów o kinematyce TTT i RTT? 5.Omów kinematykę typu RRT? 6.Czym różnią się układy współrzędnych: globalny i podstawowy robota? 7.Do czego odnoszą się wartości współrzędnych robota X,Y,Z? 8.Co oznacza termin TCT w technice robotyzacji?