Mechatronika - TU Chemnitz

Mechatronika
Modul 10: Robotika
Učebnice
(koncept)
Doc. Ing. Petr Blecha, Ph.D.
Prof. Ing. Zdenêk Kolíbal, CSc.
Doc. Dr. Ing. Radek Knoflícek
Ing. Aleš Pochylý
Ing. Tomaš Kubela
Radim Blecha
Doc. RNDr. Ing. Tomás Březina, CSc.
Vysoké učení technické v Brně
Česká republika
Evropský koncept pro doplňkovou kvalifikaci mechatronik odborných
procovníků v globalizované průmyslové výorbě.
EU – Projekt č. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110
„MINOS++“, platnost od 2008 do 2010
Tento projekt byl realizován za finanční
podpory Evropské unie.
Za obsah publikací (sdělení ) odpovídá
výlučně autor. Publikace (sdělení)
nereprezentují názory Evropské komise a
Evropská komise neodpovídá za použití
informací, jež jsou jejich obsahem.
www.minos-mechatronic.eu
Partneři pro provádění, hodnocení a šíření výsledků projektů MINOS a MINOS**.
-
Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production
Processes, Germany
np – neugebauer und partner OhG, Germany
Henschke Consulting, Germany
Corvinus University of Budapest, Hungary
Wroclaw University of Technology, Poland
IMH, Machine Tool Institute, Spain
Brno University of Technology, Czech Republic
CICmargune, Spain
University of Naples Federico II, Italy
Unis a.s. company, Czech Republic
Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic
Tower Automotive Sud S.r.l., Italy
Bildungs-Werkstatt Chemnitz gGmbH, Germany
Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany
Euroregionala IHK, Poland
Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen
Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland
Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary
Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary
Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary
Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany
Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden
Obsah studijních podkladů
Minos: moduly 1 – 8 (učebnice, cvičebnice a klíč ke cvičením) zahrnující: základy /
interkulturní kompetence, projektový management / fluidní techniku / elektrické pohony a
řízení/ mechatronické komponenty / mechatronické systémy a funkce / uvedení do provozu,
bezpečnost, vzdálený servis / dálková údržbu a diagnostiku.
Minos **: moduly 9 – 12 (učebnice, cvičebnice a klíč ke cvičením) zahrnující: rychlé
vytváření prototypů / robotiku / migraci / rozhraní.
Všechny moduly jsou dostupné v následujících jazycích:
němčina, angličtina, španělština, italština, polština, čeština a maďarština.
Pro více informací prosím kontaktujte:
Technical University Chemnitz
Dr. Ing. Andreas Hirsch
Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz
Tel.: + 49(0)0371 531-23500
Fax.: + 49(0)0371 531-23509
Email: [email protected]
Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch www.minos-mechatronic.eu
Minos++
Robotika – Učebnice
OBSAH
1. HISTORIE, VÝVOJ A DEFINICE ROBOTŮ..................................................................... 1 1.1. OD MECHANICKÝCH PÍSAŘŮ K ROBOTŮM ............................................................... 1 1.2. DEFINICE ROBOTŮ ....................................................................................................... 4 2. STAVBA PRŮMYSLOVÝCH ROBOTŮ A MANIPULÁTORŮ ......................................... 6 2.1. KINEMATICKÁ STRUKTURA PRAM ............................................................................. 6 2.1.1. Akční systém stacionárních PRaM .................................................................................. 6 2.1.2. Kinematické dvojice v konstrukci PRaM .......................................................................... 7 2.1.3. Problematika přesnosti polohování základních typů PRaM .......................................... 14 2.1.4. Průmyslové roboty s paralelní kinematikou ................................................................... 16 2.1.5. Automatické dopravní vozíky – ADV (Automatic guide vehicle-AGV)........................... 17 2.2. PŘÍKLADY TYPICKÝCH PŘEDSTAVITELŮ PRaM Z HLEDISKA KONSTRUKČNÍHO18 2.2.1. Základní typy průmyslových robotů ............................................................................... 18 2.2.2. Odvozené typy průmyslových robotů ............................................................................ 20 2.2.3. Typy PRaM z odvozených spojení kinematických dvojic .............................................. 22 3. KONCOVÉ EFEKTORY ................................................................................................. 24 3.1. Účel a rozdělení koncových efektorů ............................................................................ 24 3.2. Technologické výstupní hlavice .................................................................................... 24 3.3. Manipulační výstupní hlavice – chapadla...................................................................... 25 3.3.1. Kombinované výstupní hlavice ...................................................................................... 34 3.3.2. Speciální výstupní hlavice ............................................................................................. 35 3.3.3. Síly, působící na uchopené předměty při pohybu robotu .............................................. 36 3.3.4. Automatická výměna koncových efektorů ..................................................................... 39 3.4. PERIFERNÍ ZAŘÍZENÍ K PRaM ................................................................................... 40 3.4.1. Úvod, rozdělení, účel použití ......................................................................................... 40 3.4.2. Rozdělení PZ podle funkce ........................................................................................... 41 3.4.3. Rozdělení PZ podle charakteristické konstrukce .......................................................... 42 3.4.4. Rozdělení PZ podle umístění v robotizovaném pracovišti ............................................ 48 4. Robotizovaná pracoviště ............................................................................................. 51 4.1. Základní prvky robotizovaného pracoviště .................................................................... 51 4.2. Řízení pracoviště .......................................................................................................... 53 4.3. Typy robotizovaných pracovišť ..................................................................................... 56 4.3.1. Svařovací ....................................................................................................................... 56 4.3.2. Manipulační ................................................................................................................... 58 4.3.3. Nanášení barev ............................................................................................................. 60 4.3.4. Technologické operace ................................................................................................. 62 5. Programování průmyslových robotů.......................................................................... 66 5.1. Úvod .............................................................................................................................. 66 5.2. Online programování..................................................................................................... 66 5.2.1. Uživatelské rozhraní - teach-pendanty .......................................................................... 67 5.2.2. 6 DOF průmyslový robot ................................................................................................ 69 5.2.3. Hlavní typy pohybů ........................................................................................................ 72 5.2.4. Aproximace pohybů ....................................................................................................... 74 5.2.5. Základní přehled instrukcí pro roboty ABB .................................................................... 76 5.2.6. Základní přehled instrukcí pro roboty KUKA ................................................................. 77 5.2.7. Případová studie: Paletizační úloha .............................................................................. 78 5.3. Off-line programování ................................................................................................... 81 3
Minos++
Robotika – Učebnice
6. BEZPEČNOST ROBOTIZOVANÝCH PRACOVIŠŤ ...................................................... 83 6.1. Základní termíny a definice ........................................................................................... 83 6.2. Požadavky na konstrukci robotu ................................................................................... 84 6.2.1. Silové hnací komponenty .............................................................................................. 84 6.2.2. Výpadek nebo kolísání napájení ................................................................................... 84 6.2.3. Napájecí zdroje .............................................................................................................. 85 6.2.4. Skrytá energie................................................................................................................ 85 6.2.5. Elektromagnetická kompatibilita (EMC) ........................................................................ 85 6.2.6. Elektrické zařízení ......................................................................................................... 85 6.2.7. Ovládací prvky ............................................................................................................... 85 6.3. Požadavky na bezpečnostní části řídicích systémů ...................................................... 85 6.3.1. Funkce nouzového zastavení ........................................................................................ 86 6.3.2. Bezpečnostní zastavení ................................................................................................ 86 6.3.3. Redukovaná rychlosti .................................................................................................... 86 6.3.4. Pracovní režimy ............................................................................................................. 87 6.3.5. Řízení pomocí ručního ovládacího panelu .................................................................... 87 6.3.6. Požadavky na provozní spolupráci ................................................................................ 88 6.4. Popis kategorií bezpečnostních částí řídicích systémů................................................. 88 6.4.1. Kategorie B .................................................................................................................... 88 6.4.2. Kategorie 1 .................................................................................................................... 89 6.4.3. Kategorie 2 .................................................................................................................... 90 6.4.4. Kategorie 3 .................................................................................................................... 90 6.4.5. Kategorie 4 .................................................................................................................... 91 6.5. Bezpečnostní ochranná zařízení................................................................................... 92 6.5.1. Zařízení nouzového zastavení (Emergency stop device) ............................................. 92 6.5.2. Bezpečnostní světelné závory (Safety Ligt Curtain)..................................................... 93 6.5.3. Bezpečnostní laserový scanner..................................................................................... 94 6.5.4. Pevné zábrany ............................................................................................................... 95 6.5.5. Bezpečnostní dveřní snímače ....................................................................................... 96 6.5.6. Nášlapné rohože............................................................................................................ 97 6.6. Příklad zabezpečení robotizovaného pracoviště........................................................... 97 7. Použitá literatura .......................................................................................................... 98 4
Minos++
Robotika – Učebnice
1. HISTORIE, VÝVOJ A DEFINICE ROBOTŮ
1.1. OD MECHANICKÝCH PÍSAŘŮ K ROBOTŮM
Snahy zapojit stroje podobné člověku nebo živým organismům do služeb člověka jsou téměř
tak staré jako lidská kultura. Historie konstrukce pohyblivých figurín sahá až do období antiky
a byzancie. Už Homér ve své Illiadě hovořil o tom, že Hefaistos, jeden z bohů na Olympu,
zaměstnával ve svém domě služky vykované z čistého zlata. V r. 400-365 p. n. l. Archytus
vytvořil model dřevěného holuba. Holub údajně obsahoval ve svých útrobách malý balón.
Herón Alexandrijský, proslulý mechanik a stavitel figurín, poháněných párou1 a silou,
vyvozenou tepelnou roztažností různých látek, např.rtuti), konstruktér samočinných jevištních
zařízení, mechanismů, otevírajících brány chrámů apod. K pohonu využíval páru a zahřátý
vzduch. Příkladem je zařízení oltáře, znázorněné na Obr. 1-1a. Při rozdělání ohně na oltáři
se zahřeje voda v nádobě A, unikající pára tlačí na hladinu vody ve spodní části oltáře,
provedeného jako nádrž. Voda je vytlačována trubkami L do nádobek, které drží sochy
v rukách. Po naplnění nádobek se ruce skloní a vytékající voda z nádobek uhasí oheň na
oltáři.
Obr. 1-1 Příklady historických automatů
a. Příklad antického oltáře s figurínami, které samočinně vylévají vodu na obětní oheň
b. Mechanický automat Jacquete Droze
c. Hosogavův mechanický automat
V historii automatů nemohl chybět ani geniální umělec a technik Leonardo da Vinci (14521519). Pro uvítání krále Ludvíka XII. v Miláně sestrojil mechanického lva, který kráčel k jeho
trůnu a zdvihnutím tlapy pozdravil krále.
S biorobotikou souvisí více vynikajících mechanických konstrukcí umělých lidí realizované
v 18. století. Okolo r. 1738 francouzský mechanik Jacques de Vaucanson sestrojil skutečně
fungující robot – flétnistu, který dokázal zahrát 12 skladeb. Zvuk vyluzoval obyčejným
vydechnutím vzduchu přes ústa do hlavního otvoru flétny a tóny měnil přikládáním prstů na
ostatní otvory nástroje.
V r. 1772 Jacquet Droz zkonstruoval automat s podobou dítěte (viz Obr. 1-1b), který psal
pasáže textu skutečným perem, byl řízený vačkami a poháněný pružinami. V r. 1796
Hosogawa z Japonska zkonstruoval další známý automat - chlapce nosícího čaj (viz Obr.
1-1c).
1
Viz známý fyzikální pokus: „Herónova baňka“
1
Minos++
Robotika – Učebnice
Velký rozvoj přírodních věd dával dokonalejší prostředky do rukou stavitelů automatů.
Poznatky z akustiky umožňovaly konstrukce mechanismů, vydávajících jednoduché zvuky,
například samočinné hrající hudební nástroje a mluvící figuríny.
V období po první světové válce roboty nesměly chybět na žádné zajímavější výstavě o
technice. Měly podobu zbrojnošů, pohybovaly rukama a odpovídaly na jednoduché otázky
hlasem reprodukovaným z gramofonové desky. Roboty dostaly elektrický pohon, který bylo
možné řídit inteligentněji než páčky, vačky a pružiny. Např. robot TELEVOX, zkonstruovaný
v r. 1927 Angličanem R. J. Wenslym dokázal na zapísknutí zdvihnout telefonní sluchátko a
ozvat se lidským hlasem Američan Whitman zase sestrojil „radiočlověka“ OCCULTA. Tento
byl určený na bojové účely, měl ničit ostatní zátarasy a překonávat některé vojenské
překážky.
Slovo "robot" je postaveno na staroslovanském základu "-rob-", od kterého je též odvozena
slova "robota", majícího v češtině význam těžké až nepříjemně unavující práce, dále slovo
"robit", ale i slova "výroba", "obrábět" a pod. Geniální český spisovatel Karel Čapek použil
tohoto slova k označení uměle vytvořených bytostí ve svém dramatu "R.U.R." z roku 1920.
Výraz "R.U.R." znamená: "Rossum´s Universal Robots", tedy: "Rossumovi universální
Roboti", volně pak přeloženo: "Universální Roboti pana Rozuma (přesněji Mozku či
Intelektu)". Karel Čapek své Roboty nazýval původně "Laboři" (chtěl zřejmě jednoznačně
využít latinského „labore“, potažmo anglického slova: labour = těžká, nebo alespoň plně
zaměstnávající práce) a použití slova "robot" mu poradil jeho bratr malíř Josef Čapek.
Nicméně je skutečností, že od roku 1921, kdy bylo Čapkovo dílo R.U.R. poprvé uvedeno, se
jeho popularita velmi rychle rozšířila po celém světě a s ní i toto české slovo "robot".
Například v Japonsku se děti ve školách učí, že slovo „robot“ je českého původu.
Od té doby se však začalo tímto slovem označovat jakékoli automatické i mechanizační
zařízení a to od kuchyňských strojků až po automatické piloty. Nechyběla, v průběhu historie
se v podstatě opakující, i celá řada pokusů o umělé konstrukce člověku se podobajících
zařízení, zejména na mechanickém principu. Dlužno podotknout, že tento princip byl Karlu
Čapkovi cizí; jeho "Roboti" byli koncipováni pouze na biochemické bázi. My však počítáme
roboty, zejména ty průmyslové, mezi neživé stroje a proto je také podle neživotného vzoru
„hrad“ skloňujeme.
V průmyslové výrobě se široce využívané stroje, které plní určité funkce za člověka, obvykle
nenazývají roboty, ale automaty. To je dáno především tím, že tyto automaty jednak svým
vzhledem velmi málo člověka připomínají a jednak je jejich funkce většinou poměrně úzce
specializovaná (autooperátory, jednoúčelové manipulátory).
Na Obr. 1-3 je znázorněn historický vývoj výrobních strojů a robotů. Přestože vývoj
výrobních strojů započal mnohem dříve, je zde za výchozí období zvolen přelom XV. a
XVI.století. Můžeme sledovat skutečný vývoj výrobních strojů s jejich
postupným
zlepšováním a mechanizací a současně sledovat fiktivní představy o umělé bytosti (Golem)
směrem k Čapkovým robotům z R.U.R. Společný osud spojuje tyto dva proudy vynález
číslicového řízení (NC – Numerical Control) v polovině XX. století. NC výrobní stroje spolu
s manipulátory, obdařenými NC – průmyslovými roboty - začaly realizovat představy o
automatické výrobě.
V roce 1961 totiž přišla americká firma AMF (American Machine and Foundry Corporation)
na trh s mnohoúčelovým automatem pod názvem "Průmyslový robot VERSATRAN"
(VERSAtile TRANsfer), který zastává funkci člověka u výrobního stroje, avšak nemá jeho
podobu a pak již vývoj nabral neuvěřitelné obrátky. Symbióza průmyslových robotů a NC
výrobních strojů na přelomu XX. a XXI. století umožnila vznik plně automatizovaných
továren, jakou provozuje na příklad japonská firma FANUC. Jiné průmyslové roboty
směřovaly do nestrojírenských aplikací včetně zemědělství. V červeně orámované části
2
Minos++
Robotika – Učebnice
obrázku č. Obr. 1-3 jsou znázorněna některá typická provedení průmyslových robotů. Ten
vlevo je programován bezprostředním učením, tedy tak, že jej programátor původně v režimu
„TEACH“ vede po požadované dráze, která se nahraje do řídícího systému a po aktivování
nahraného programu robot naučenou činnost v režimu „REPEAT“ neúnavně opakuje.
Uplatnění takového robotu je zejména při průběžném svařování po požadované dráze, nebo
při nanášení nátěrových či ochranných hmot. Ten vpravo je programován zprostředkovaně
pomocí programovacího panelu, při čemž programátor navede robot vždy do požadovaného
bodu, který si robot zapamatuje a pak vykonává práci podle zadané činnosti mezi
jednotlivými body nebo v těchto bodech. Takový robot je velmi vhodný například pro bodové
svařování karoserií v automobilkách.
Obr. 1-2 Bezprostřední učení průmyslového robotu
HONDA
Humanoidní
roboty
XX/XXI.
století
Stavebnictví,
zemědělství,
textilní prům.,
sklářství a j.
Piano player
Prof.Ichiro Kató
UNIVERSITY of
WASEDA, Tokyo
Nestrojírenské
aplikace
Biorobotické
(protetické)
aplikace
NC 50-60. léta
XX.století
MASTER
SLAVE
K.Čapek:
Numerical
Control
XVIII/XIX.
století (James
Průmyslový robot (ABB)
R.U.R. ⇒ „robot“
Watt 1736-1819)
(Rosum`s Universal Robots)
1580:
„GOLEM“
Rabbi Jehuda Löw ben
Becael (Staré Město Pražské)
Japonská
automatizovaná továrna
Způsob
řízení:
Způsob řízení:
1921:
FANUC
zdokonalil parní stroj
XV/XVI.
století
Leonardo
da Vinci
(1452-1519)
Francouzský kopírovací
soustruh se šlapacím
pohonem z XVI.stol.
Obr. 1-3 Nástin vývoje výrobních strojů a robotů
3
různé pohony a
technická zdokonalení,
m.j.válečková ložiska,
lanové převody, vrtule
Minos++
Robotika – Učebnice
S určitým odbočením od NC řízení se vyvinuly biorobotické (protetické) aplikace, řízené
systémy MASTER-SLAVE, případně nervovými EMG (elektromyogrammetrickými) signály.
Přímý vývoj v robotice však sleduje nejfantastičtější směr, tedy vývoj mobilních, kráčejících a
humanoidních robotů (např. HONDA). Podoba těchto zařízení s fiktivním Golemem je až
fascinující, ale i bezprostřední učení průmyslových robotů vedením za jejich koncový člen a
nahráním tohoto pohybu do řídícího systému nám může připomenout oživování Golema
tajemným „šémem“, vkládaným do jeho hlavy.
Piano-player profesora Ichiro Kató z Wasedské university v Tokyu doprovázel celý
symfonický orchestr na světové výstavě v Ósace. Humanoidní robot Honda ale i jiní
„androidi“ dokáží chodit i po schodech, nosit předměty, tančit a pod. Pomalu si tak i
zaslouží životnou podobu jejich názvu, tedy „roboti“.
1.2. DEFINICE ROBOTŮ
Pro obecné porovnání vlastností stroje s člověkem ve výrobním procesu mohou sloužit
následující kategorie:
fysické možnosti
funkční možnosti
úroveň intelektu
Jako hranice pro výrobní proces potřebné a možné úrovně intelektu slouží lidské vědomí, v
daném případě jde především o vnímání, chápání a rozhodování, paměť a logiku. Funkční
možnosti zahrnují přizpůsobivost, universálnost, možnost přemisťování v prostoru,
manipulovatelnost apod. Mezi fysické možnosti patří síla, rychlost, schopnost nepřetržité
práce, stabilita charakteristik, trvanlivost, spolehlivost atd. Uvedené tři kategorie je možno
znázornit v prostorovém diagramu v kartézských souřadnicích x, y a z. [4; s.38]
Obr. 1-4 Schematické porovnání člověka a stroje ve výrobním procesu [NODA;s.xx]
Na Obr. 1-4 je velmi schematicky znázorněn člověk ve výrobním procesu, vyznačující se
vysokou úrovní intelektu (potřebného pro daný výrobní proces), poměrně vysokou úrovní
funkčních možností, avšak velmi nízkými fyzikálními možnostmi. Tohoto si byl člověk od
pradávna velmi dobře vědom, a proto všechny dosavadní stroje prakticky napomáhaly
4
Minos++
Robotika – Učebnice
člověku rozšířit především tyto jeho nízké fyzikální možnosti a v diagramu jsou znázorněny
pouze jako jednorozměrné a to na ose fyzikálních možností.
Stavební a jim podobné stroje, ovládané a řízené přímo člověkem, jako jsou na příklad
bagry, scrapery, ale též i balancery, teleoperátory a pod. představují v daném diagramu
dvourozměrné stroje v rovině dané osami fysických možností a funkčních možností.
Na druhé straně matematické a jim podobné informační stroje (computery, řídící systémy)
jsou stroje rovněž v daném diagramu dvourozměrné, ale v rovině dané osami fysických
možností a úrovní intelektu, možnost pohybu nemají.
Teprve spojením, prolnutím, obou výše dvourozměrně znázorněných strojů vzniká
průmyslový manipulátor - robot, představující stroj, odpovídající v tomto schématu
trojrozměrnému znázornění člověka ve výrobním procesu.
Je přirozené, že v rámci studia robotiky se hledá též vhodná definice jak manipulátoru,
průmyslového robotu, tak i samotného robotu. Pojem "robot" je doposud ve světové literatuře
definován poněkud nejednotně, avšak některé definice, odvozené od počtu stupňů volnosti
takového zařízení, jako například: "Robot je zařízení od tří stupňů volnosti, do tří stupňů jde o
manipulátor", nebo "Průmyslový robot je automatické manipulační zařízení libovolně
programovatelné ve třech osách s podávacíma rukama (chapadly) nebo technologickými
nástroji, určené pro použití v průmyslu", svědčí o nepochopení základní filosofie robotů.
Nicméně posledně uvedená definice naznačuje ještě i další otázku a to, zda robot je totéž,
co průmyslový robot. Již samotný přívlastek „průmyslový" naznačuje, co má závěrečná část
této definice na mysli, že totiž průmyslový robot je určitou podmnožinou robotů jako
takových. Pro všeobecný pojem "robot" lze přijmout definici, původně vyslovenou
Ing. Ivanem M.Havlem, CSc. [2] ve znění [3; s.20]:
"Robot je automatický nebo počítačem řízený integrovaný systém, schopný
autonomní, cílově orientované interakce s přirozeným prostředím, podle instrukcí od
člověka. Tato interakce spočívá ve vnímání a rozpoznávání tohoto prostředí a v
manipulování s předměty, popř. v pohybování se v tomto prostředí"
Tato definice nepochybně zahrnuje různé robotické systémy pro rozmanitá, nejen
průmyslová, použití. Povahu "průmyslového robotu" pak vystihuje velmi dobře definice podle
prof. P. N. Beljanina [1]:
"Průmyslový robot je autonomně fungující stroj-automat, který je určen k reprodukci
některých pohybových a duševních funkcí člověka při provádění pomocných a
základních výrobních operací bez bezprostřední účasti člověka a který je k tomuto
účelu vybaven některými jeho schopnostmi (sluchem, zrakem, hmatem, pamětí a
podobně), schopností samovýuky, samoorganisace a adaptace, t.j. přizpůsobivostí k
danému prostředí".
Definované zařízení je právě onou žádanou náhradou člověka ve výrobním procesu. O tom,
zda jde o průmyslový robot či manipulátor je nutno rozhodnout na základě analysy úrovně
inteligence, tj. úrovně jeho řídicího systému podle textu k Obr. 1-4, jednotné měřítko na
přesné oddělení manipulátorů od průmyslových robotů prakticky neexistuje.
5
Minos++
Robotika – Učebnice
2. STAVBA PRŮMYSLOVÝCH ROBOTŮ A MANIPULÁTORŮ
2.1. KINEMATICKÁ STRUKTURA PRAM
2.1.1. Akční systém stacionárních PRaM
Z uvedených definic robotů a i z celkového pohledu na tato složitá zařízení jednoznačně
vyplývá, že průmyslové roboty je nutno chápat jako určitou podmnožinu robotů jako
takových, kterými mohou být zejména mobilní roboty pojízdné na různých typech kolových a
pásových podvozků, či roboty kráčející, zkonstruované až do podoby zvířat či androidů.
Zejména pak u mobilních robotických systémů představuje manipulační rameno
mechanismus, který v globálním pojetí je prakticky samostatným akčním systémem, který
může být použit jako stacionární průmyslový robot, vybavený navíc případně i jednoduchým
či složitějším lokomočním ústrojím.
Akční systém PRaM se z konstrukčního hlediska rozděluje na:
−
pojezdové (lokomoční) ústrojí
−
polohovací ústrojí
−
orientační ústrojí
−
výstupní hlavice (koncové efektory)
Mezi polohovacím a orientačním ústrojím se nachází referenční bod Br, který zakončuje
základní kinematický řetězec (ZKŘ), jenž zahrnuje polohovací ústrojí a někdy též zasahuje i
do pojezdového ústrojí, kinematický řetězec (KŘ) pak obsahuje základní kinematický řetězec
a orientační ústrojí. Mezi orientačním ústrojím a výstupní hlavicí bývá umístěn kompensátor
polohy. Ukázka rozdělení akčního systému na robotech, které jsou vybaveny i lineárním
pojezdovým ústrojím je na Obr. 2-1.
a.
b.
Obr. 2-1 Ukázka rozdělení akčního systému na stacionárních průmyslových robotech
a. Adaptivní průmyslový robot APR- 20 VUKOV-PREŠOV (SK)
b. Průmyslový robot BEROE RB-321(BG)
X - pojezdové ústrojí
polohovací ústrojí - CBB’ (APR-20), CZY (BEROE RB-321)
Br - referenční bod
A0, B0, C0 - orientační ústrojí (jedno z možných uspořádání)
Poznámka:
X, Y, Z - souřadnice translačního pohybu
A, B, C - souřadnice rotací kolem os x, y, z
A0, B0, C0 - souřadnice rotací orientačního ústrojí
6
Minos++
Robotika – Učebnice
2.1.2. Kinematické dvojice v konstrukci PRaM
Akční systém průmyslových robotů a manipulátorů je ve své podstatě pohybovým
mechanismem, který sestává z více binárních členů, vázaných mezi sebou prostřednictvím
kinematických dvojic (KD). Každé z těchto kinematických dvojic přísluší většinou jeden
stupeň volnosti, kinematické dvojice o více stupních volnosti (na příklad KD válcová či
rovinná) nejsou pro stavbu PRaM typické. Ani spojení dvou otočných kinematických dvojic
do jednoho kloubu, tedy jako sférická kinematická dvojice, se běžně nevyskytuje, neboť
taková soustava se jen velmi těžko osazuje servopohony.
Při stavbě PRaM se nejčastěji používají kinematické dvojice posuvné (translační) a otočné
(rotační). Protože kinematické struktury PRaM je potřebné (a to nejen pro potřeby této práce)
často znázorňovat v různých postaveních, používají se jejich určitá schematická označení,
které vycházejí z jejich konstrukční podstaty.
Kinematická dvojice translační (T)
Znázornění této kinematické dvojice je poměrně jednoduché, neboť stačí napodobit lineární
posuv dvou těles po sobě. Je však nutno respektovat relativnost možného pohybu
posouvajících se těles:
a)
b)
c)
po delším vedení se posouvá kratší těleso - tzv. suportové, či saňové provedení (viz
Obr. 2-2a)
v kratším vedení se posouvá delší těleso - tzv. smykadlové provedení (viz Obr. 2-2b)
výsuvné, příp. teleskopické provedení (viz Obr. 2-2c)
a)
b)
c)
Obr. 2-2 Schematické znázornění translační KD: a) suportové, b) smykadlové, c) výsuvné
Bez dalšího vyznačování se předpokládá, že pohyblivý člen v kinematické dvojici z Obr. 2-2
nemá možnost se současně též otáčet.
Kinematická dvojice rotační (R)
Při znázorňování rotačních KD je nutno respektovat jejich specifika, která představují buď
rotaci kolem vlastní osy, nebo rotaci ramene o délce „r“ kolem mimostředné osy (kloub) a
rovněž i směr pohledu (nárys, půdorys, příp. bokorys) na otočný kloub.
Obr. 2-3 Otočné kinematické dvojice bez omezení úhlu otáčení: a),c) - s ramenem "r" a
b),d) - kolem vlastní osy (r = 0)
Nelze ponechat bez povšimnutí, že i jednoduché schematické znázornění je spojeno s
konstrukční představou o možném rotačním pohybu a svým pojetím znázorňovaný rotační
pohyb buď omezuje, nebo dává představu o možném otáčení kolem osy bez omezení.
Typické případy jsou znázorněny na Obr. 2-3 a Obr. 2-4
7
Minos++
Robotika – Učebnice
Obr. 2-4 Klouby (rotační KD s ramenem "r") v nárysu a půdorysu:
a) bez omezeného úhlu otáčení b) s omezeným otáčením
Základní kinematický řetězec PRaM – polohovací ústrojí
Všechny běžné kinematické struktury základních kinematických řetězců (polohovacího
ústrojí) průmyslových robotů, jsou struktury se sériovou kinematikou. Je to dáno použitím
výše uvedených kinematických dvojic vždy o jednom stupni volnosti (translačních nebo
rotačních), které se posouvají či otáčejí nezávisle na sobě a výsledný pohyb je složen z řady
pohybů v jednotlivých těchto kinematických dvojicích. Tak vzniká sériová kinematika nejen u
robotických systémů, ale na příklad i u výrobních strojů, u kterých pak převládá struktura,
složená převážně z translačních kinematických dvojic, tedy struktura kartézská, zatímco
v morfologii průmyslových robotů se rozvinuly i jiné struktury.
Polohovací ústrojí slouží k požadovanému ustavení referenčního bodu Br. Požaduje-li se
jeho postavení a pohyb po přímce (úsečce), nebo křivce (kružnici) postačí k tomu l stupeň
volnosti a to buď translační (T), nebo rotační (R), ", k polohování referenčního bodu Br v
rovině, případně ploše, je zapotřebí již určitého spojení dvou kinematických dvojic. Teprve
přidáním třetí kinematické dvojice může pohyb referenčního bodu základního kinematického
řetězce obsáhnout i určitý prostor, závislý na celkovém spojení KD v ZKŘ. V praxi se na
počátku rozvoje robotiky nejvíce rozšířily čtyři, možno říci základní, typy spojení KD:
1.
2.
3.
4.
Spojení tří translačních KD:
Spojení jedné rotační a dvou translačních KD:
Spojení dvou rotačních a jedné translační KD:
Spojení tří rotačních KD:
TTT
RTT
RRT
RRR
Shodou okolností má struktura těchto čtyř základních spojení charakter postupného
nahrazování translací rotacemi a výsledný obsluhovaný prostor je v těchto čtyřech
případech:
1.
2.
3.
4.
Kvádr (pravoúhlý, kartézský pracovní prostor)
Válcový (cylindrický) segment
Kulový (sférický) segment
Torusový 2 (složený, anthropomorfní, anglulární) segment.
2
"TORUS", česky: "OBLOUN", je pojem ze stavitelství a jedná se o článek zhruba půlkruhového průřezu,
vyskytující se (střídaje se s výžlabky) na příklad ve vodorovném provedení v patkách aticko-iónských (antická
patka),nebo asijsko-iónských (iónská patka) sloupů, nebo ve svislém provedení v profilaci gotického ostění.
8