Roboty przemysłowe - wybrane pojęcia, budowa, zastosowania, przykłady

1. Roboty przemysłowe - wybrane pojęcia, budowa, zastosowania, przykłady dr inż. Wojciech Muszyński Zakład Podstaw Cybernetyki i Robotyki wojciech.muszynski@pwr.wroc.pl

2. Mechanizacja, Automatyzacja, Robotyzacja • Mechanizacja polega na zastępowaniu w procesie produkcyjnym pracy fizycznej człowieka przez pracę maszyn. • Automatyzacja polega na zastępowaniu człowieka w sterowaniu ręcznym urządzeniami pracującymi bez bezpośredniego udziału człowieka. • Robotyzacja – polega na automatyzacji pracy produkcyjnej, lub innych procesów za pomocą manipulatorów i robotów.

3. Robotyka • Dziedzina nauki i techniki, zajmująca się problemami mechaniki, sterowania, programowania, projektowania, zastosowań i eksplo-atacji robotów i manipulatorów Robotyka teoretyczna Robotyka ogólna Robotyka przemysłowa Robotyka mobilna Robotyka medyczna i rehabilitacyjna Robotyka usługowa …

4. Robot przemysłowy Wg normy ISO ITR 8373 Manipulacyjny robot przemysłowy jest automatycznie sterowaną, programowaną, wielozadaniową maszyną manipulacyjną o wielu stopniach swobody, posiadającą zdolności manipulacyjne i/lub lokomocyjne, stacjonarną lub mobilną, dla różnorodnych zastosowań przemysłowych.

5. Robot przemysłowy Wg A. Moreckiego Robot to urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji niektórych czynności manipulacyjnych i lokomocyjnych człowieka, mające określony poziom energetyczny, informacyjny i sztucznej inteligencji (autonomii działania w pewnym otoczeniu) Wg H.J.Warnecke Robot to urządzenie przeznaczone do automatycznej manipulacji z możliwością wykonywania programowalnych ruchów względem kilku osi, zaopatrzone w chwytaki lub narzędzia i skonstruowane specjalnie do zastosowań w przemyśle.

6. Istotne cechy robotów przemysłowych • Automatyczność działania • Programowalność • Posiadanie wielu stopni swobody Roboty przemysłowe to podklasa robotów.

7. Przykładowy robot IRB 1400 Manipulator Panel sterowania i panel operatora Szafa sterownicza

8. Standardy, normy • Na początku lat 80-tych rozwój standardów robotyki dla przemysłu • Głównie bezpieczeństwo, tzw. Robot Safety Standard • Norma ISO 8373 wprowadza definicje pojęć i odpowiadających im terminów dotyczących robotów przemysłowych i manipulatorów przemysłowych.: manipulacja manipulator robot …

9. Podstawowe określenia • Manipulacja - tok czynności w przemysłowym procesie produkcyjnym, polegający na: uchwyceniu określonego obiektu manipulacji, transportowaniu, pozycjonowaniu lub orientowaniu tego obiektu względem przyjętej bazy, oraz przygotowujący ten obiekt do wykonywania na nim lub za jego pomocą operacji technologicznych. • Manipulator (przemysłowy) — urządzenie przeznaczone do wspomagania lub całkowitego zastąpienia człowieka przy wykonywaniu czynności manipulacyjnych w przemysłowym procesie produkcyjnym, sterowane ręcznie lub automatycznie za po mocą własnego układu sterującego stałoprogramowanego lub zewnętrznego układu sterującego. • Robot (przemysłowy) — urządzenie automatyczne przeznaczone do wykonywania czynności manipulacyjnych w przemysłowym procesie produkcyjnym, mające układ ruchu składający się, co najmniej z trzech zespołów ruchu i własny programowalny układ sterujący.

10. Różnice między manipulatorem a robotem • manipulator(jako samodzielne urządzenie ) • wykonuje zamknięty cykl ruchów powtarzalnych • na ogół ma sztywny program (z reguły zmiana programu pracy manipulatora wymaga fizycznych zmian w jego konstrukcji) • sztywny program współpracy z ewentualnymi urządzeniami technologicznymi • robot • może realizować dużą liczbę różnorodnych czynności manipulacyjnych za pomocą sygnałów generowanych w programowalnym układzie sterowania • najczęściej czynności powtarzalne, ale mogące ulec zmianie odpowiednio do zmiany programu, stanu środowiska lub podanej informacji • cykl ruchów manipulacyjnych lub (i) lokomocyjnych • wykorzystanie układów wejść/wyjść dla współpracy z urządzeniami technologicznymi, układami sensorów, systemami komunikacji

11. Manipulatory, pedipulatory… • Manipulator automatyczny – urządzenie o niezmiennym programie wykonywanych ruchów. • Manipulator zdalny (teleoperator) – manipulator posiadający własny napęd i zdalnie sterowany przez operatora człowieka. • Manipulator ręczny – manipulator wprawiany w ruch siłą mięśni operatora. • Pedipulator – maszyna krocząca, dwu lub więcej nożna, o różnym stopniu autonomiczności

12. Sposoby instalowania roboty przemysłowe wolnostojące portalowe (bramowe) zintegrowane z urządzeniem stacjonarne mobilne z obrabiarką z wózkiem

13. Łańcuch kinematyczny manipulatora • Para kinematyczna – dwa ogniwa połączone przegubem • (połączeniem ruchomym) • Łańcuch kinematyczny manipulatora – połączenie pewnej liczby par kinematycznych • Łańcuch kinematyczny może w ogólności składać się z 3 odcinków: • odcinek globalny • odcinek regionalny • odcinek lokalny

14. Łańcuch kinematyczny manipulatora Z • odcinek lokalny (L) • odcinek regionalny (R) • odcinek globalny (G) C Odcinek lokalny realizuje zadania orientowania i chwytania obiektu manipulowanego Odcinek regionalny realizuje podstawowe działania manipulacyjne Odcinek globalny realizuje działania lokomocyjne robota B A X Y

15. Łańcuch kinematyczny manipulatora Z Zespoły ruchu oznacza się X, Y, Z, A, B, C odpowiednio do oznaczeń osi współrzędnych i rodzaju ruchu, dodając indeks G, R, L w zależności od odcinka łańcucha kinematycznego w którym występują. C Przykładowo, syntetyczny zapis struktury łańcucha kinematycznego, dla robota obok będzie następujący: {CR, BR1, BR2, AL1, BL1, AL2} B A X Y

16. Odcinek regionalny jako definiujący typ robota W zależności od konfiguracji odcinka regionalnego, jako odcinka odpowiedzialnego za zadania i działania manipulacyjne wyróżniamy: • roboty kartezjańskie • roboty cylindryczne • roboty sferyczne • roboty antropomorficzne • roboty typu SCARA • roboty typu platforma Stewart’a (hexapody) • roboty typu tripody

17. Robot kartezjański - PPP 3 przeguby pryzmatyczne kształt przestrzeni roboczej

18. Robot cylindryczny - OPP 1 przegub obrotowy 2 przeguby pryzmatyczne kształt przestrzeni roboczej

19. Robot sferyczny - OOP 2 przeguby obrotowe 1 przegub pryzmatyczny kształt przestrzeni roboczej

20. Robot antropomorficzny - OOO 3 przeguby obrotowe kształt przestrzeni roboczej

21. Robot SCARA - OOP kształt przestrzeni roboczej 2 przeguby obrotowe 1 przegub pryzmatyczny

22. Robot Scara

23. Robot typu tripod 3 równoległe ramiona

24. Robot typu platforma Stewart’a (heksapod) 6 osi przestrzeń robocza

25. Robot typu platforma Stewart’a (heksapod)

26. Roboty proste i złożone (dymensyjne) • Roboty proste – pozycjonowane zderzakowo np. PR-02 • Roboty złożone (dymensyjne) – pozycjonowane do dowolnego położenia w przestrzeni roboczej np. IRb, IRp, IRB

27. Robot prosty o budowie modułowej PR02 Moduły ruchu regionalnego: Liniowe - MA, MB Obrotowy - MD Moduły ruchu lokalnego: Liniowy – MC Obrotowy – ME Chwytak - MF

28. Przykładowe roboty modułowe Toshiba Cartesian Robot BA-II Series 4 Axis (X-Y-Z-R)

29. Przykładowe roboty złożone monolityczneSeria robotów Kuka

30. Przykładowe roboty złożone monolityczneSeria robotów firmy Fanuc

31. Przykładowe roboty złożone monolityczne Seria RP Seria RH Roboty precyzyjne Roboty SCARA Dokładność powtarzalności x/y...± 0,005 mm

32. Przykładowe roboty złożone monolityczne Robot serii Y - Misubishi Robot montażowy - Motoman

33. Najmniejszy i największy robot Fanuc Porównanie wielkości najmniejszego i największego robota • M -2000iA/1200: Światowy rekord 1200 kg, duży zasięg • M -2000iA/900L: 900 kg, Bardzo długie ramie LR Mate 200iC

34. Struktura układu sterowania

35. Schemat funkcjonalny układu sterowania robota • pozycjonowanie w układzie otwartym

36. Schemat funkcjonalny układu sterowania robota • pozycjonowanie w układzie zamkniętym

37. Generacje robotów - generacja I Roboty I generacji to roboty nie posiadające czujników zewnętrznych. Oznacza to, że sterowanie odbywa się w układzie otwartym bez sprzężenia zwrotnego od otoczenia. Zaprogramowane na wykonanie pewnej określonej sekwencji czynności z możliwością przeprogramowania w celu adaptacji do nowego zadania. W momencie wystąpienia różnic zaprogramowanego środowiska z rzeczywistym otoczeniem robot pierwszej generacji staje się zupełnie bezradny.

38. Struktura robota I generacji + Regulator napędu Obiekt sterowania (manipulator) Sygnał nastawczy - Sensory wewnętrzne Trajektorie ruchu Interfejs pomiarowy

39. Generacje robotów - generacja II Roboty II generacji to urządzenia, które wyposażone są w zamknięty układ sterowania ze sprzężeniem zwrotnym od otoczenia. Posiadają czujniki lub układy czujników zewnętrznych. Czujniki zewnętrzne umożliwiają wykrywanie zmian w otoczeniu robota oraz elastyczne reagowanie na te zmiany.

40. Struktura robota II generacji + Regulator napędu Obiekt sterowania (manipulator) Planer trajektorii - Sensory wewnętrzne Interfejs pomiarowy Otoczenie (scena robota) Przetwarzanie, rozpoznawanie Sensory zewnętrzne System adaptacji

41. Generacje robotów - generacja III Roboty III generacji wyposażone są w zamknięty układ sterowania oraz czujniki, dzięki którym robot ma możliwość dokonywania złożonych pomiarów parametrów otoczenia. Roboty tej generacji wykazują spore możliwości percepcji panujących warunków a co za tym idzie adaptacji do nich. Rozwój tych robotów jest ściśle związany z badaniami nad sztuczną inteligencją z wykorzystaniem systemów wizyjnych oraz sieci neuronowych wspomagających sterowniki, sterowaniem głosem, czy z programowaniem w językach wysokiego poziomu.

42. Struktura robota III generacji + Regulator napędu Obiekt sterowania (manipulator) Planer trajektorii - Sensory wewnętrzne Interfejs pomiarowy Trajektorie ruchu Otoczenie (scena robota) Przetwarzanie, rozpoznawanie Sensory zewnętrzne Interpreter Programowanie off-line

43. Zadania układu sterowania robotem Podstawowe zadania układów sterowania • Sterowanie zespołami napędowymi • sterowanie zespołami ruchu pozycjonowanymi w całym zakresie przemieszczeń • sterowanie zespołami pozycjonowanymi zderzakowo • sterowanie chwytakami • sterowanie głowicami narzędziowymi • Komunikacja z operatorem • możliwość sterowania ręcznego napędami przez operatora • możliwość wprowadzania programu działania robota • możliwość zapamiętania programu Komunikacja z układami sensorycznymi • Sterowanie urządzeń zewnętrznych • włączanie i wyłączanie urządzeń zewnętrznych dwustanowych (sterowanie binarne) • sterowanie wejść i wyjść technologicznych

44. Zadania układu sterowania robotem Zadanie podstawowe: • pozycjonowanie (położenie i orientacja) Zadania pomocnicze: • oczekiwanie na spełnienie warunku • ustalanie kolejności dalszego działania • obliczanie parametrów, nastaw, współrzędnych • sterowanie wejściami i wyjściami • transmisja danych

45. Sposoby programowania pozycjonowania • Sterowanie punktowe PTP (point-to-point) • Sterowanie wielopunktowe MP (multi-point) • Sterowanie ciągłe CP (continous path)

46. Programowanie pozycjonowania PTP PTP Point-to point Trajektoria po której robot wykona ruch z punktu początkowego do końcowego w trybie odtwarzania programu Pk Pp Trajektoria po której robot jest przestawiany z punktu początkowego do końcowego w trybie sterowania ręcznego

47. Ruch punkt po punkcie

48. Ruch punkt po punkcie

49. Programowanie pozycjonowania CP CP Continious Path Trajektoria pomiędzy punktem początkowym i końcowym jest np. łukiem okręgu o promieniu R, lub linią prostą w zależności od typu aproksymacji. R Pk Pk Trajektoria po której robot wykona ruch z punktu początkowego do końcowego w trybie wykonywania programu Pp Aproksymacja kołowa Aproksymacja liniowa Pp

50. Ruch liniowy dokładny