Pobierz Wprowadzenie do robotyki i więcej Publikacje w PDF z Kinematyka tylko na Docsity! Wprowadzenie do robotyki • Robotyka to nauka i technologia projektowania, budowy i zastosowania sterowanych komputerowo urządzeń mechanicznych popularnie zwanych robotami. Robot – urządzenie mechaniczne, które może wykonywać rozmaite zadania manipulacyjne oraz lokomocyjne w sposób automatyczny. 1 • Robotyka może być zaklasyfikowana jako część szeroko rozumianej automatyki przemysłowej. „Robot” w porównaniu do „automatu” jest urządzeniem wysoce elastycznym pod kątem możliwości programowania oraz zakresu wykonywanych ruchów. Wprowadzenie do robotyki • Robotyka jest gałęzią nowoczesnej technologii łączącą różne dziedziny nauk technicznych i nie tylko: • automatykę, • elektronikę, elektrotechnikę, 2 • mechanikę, • inżynierię przemysłową, • informatykę, • matematykę. Wprowadzenie do robotyki • Robotyka jako dyscyplina naukowa zajmuje się przede wszystkim: • kinematyką robotów, • dynamiką robotów, • sterowaniem robotów, • architekturą komputerowych układów sterowania, 3 • językami programowania, • lokomocją, • wizją, • sensoryką, • sztuczną inteligencją. Wprowadzenie do robotyki Pojęcia podstawowe • Robotem nazywa się urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji funkcji manipulacyjnych i lokomocyjnych (na podobieństwo człowieka), mające określony zasób energii, informacji i charakte- ryzujące się całkowitą lub częściową autonomią w działaniu. • Manipulator (ramię manipulacyjne) jest to urządzenie przeznaczone do realizacji niektórych funkcji kończyny górnej człowieka. Rozróżnia 4 się tutaj dwie funkcje: manipulacyjną i wysięgnikową. • Robot przemysłowy to wielofunkcyjny manipulator przeznaczony do przenoszenia materiałów, części lub wyspecjalizowanych urządzeń poprzez złożone programowane ruchy, w celu realizacji różnorodnych zadań. Wprowadzenie do robotyki 4. Układ sensoryczny robota potrzebny do zamknięcia sprzężenia zwrotnego dla celów sterowania oraz funkcji inspekcji otoczenia. 5. Otoczenie robota tj. przestrzeń, w której znajduje się i działa robot. 6. Zadanie rozumiane jako różnica dwóch stanów otoczenia – początkowego i końcowego (pożądanego). Zadanie opisane jest w odpowiednim języku (najlepiej naturalnym) i realizowane przez komputer sterujący. 9 Pierwsze cztery elementy są częściami składowymi każdego rodzaju robota Robot przemysłowy Zgodnie z podaną definicją robot przemysłowy stosowany jest głównie w zakładach produkcyjnych do zadań transportu materiałów i produktów, zadań manipulacyjnych oraz kontrolnych i pomiarowych. Zadania transportu materiałów i produktów: • paletyzacja (dedykowane manipulatory o 5 stopniach swobody), • składowanie materiałów w magazynach, 10 • sortowanie części, • pakowanie. Robot przemysłowy Aplikacje na taśmie produkcyjnej: • spawanie i zgrzewanie, • malowanie, • klejenie, • cięcie, np. laserem, wodą, • wiercenie i skręcanie, • składanie części mechanicznych i elektrycznych, • montaż układów i płytek elektronicznych. 11 Jako urządzenie pomiarowe: • inspekcja części i produktów (aplikacje z systemami wizyjnymi), • badanie konturów elementów, • pomiar niedokładności wytwarzania. Robot przemysłowy Struktury kinematyczne manipulatorów przemysłowych Łańcuch kinematyczny manipulatora składa się z ogniw (członów) i ruchomych połączeń między ogniwami, które nazywa się złączami (przegubami). Najczęściej ogniwem jest bryła sztywna (spotyka się też ogniwa elastyczne). Najważniejsze rodzaje połączeń ruchomych (nazwa, ruchy względne, liczba stopni swobody - DoF): 12 • Obrotowe oznaczane literą R (lub O) – 1 obrót, 0 postępów, 1 DoF, • Postępowe oznaczane literą P – 0 obrotów, 1 postęp, 1 DoF, • Śrubowe – 1 obrót, 1 postęp, 1 DoF, • Postępowo-obrotowe – 2 obroty, 2 postępy, 2 DoF Robot przemysłowy Struktury kinematyczne manipulatorów przemysłowych Do opisu ruchu manipulatorów wykorzystuje się tylko dwa rodzaje połączeń, obrotowe i postępowe, gdyż każde inne połączenie może być opisane za ich pomocą. Graficzna reprezentacja przegubów typu R (obrót) i P (przesuw) stosowana w diagramach (schematach kinematycznych): 13 Robot przemysłowy Elementy systemu robota przemysłowego: • szafa sterownika robota (układ zasilania, komputerowy system sterujący, sterowniki napędów i wzmacniacze mocy, układy wejść- wyjść binarnych i analogowych, moduły komunikacyjne), • ramię manipulacyjne (typowo sześć stopni swobody – 6 DoF), • pulpit (terminal) operatora-programisty. 14 Macierz rotacji • Orientacja osi układu A względem układu B Kinematyka manipulatora przemysłowego 19 Kąty Eulera • Macierz rotacji jest nadmiarową reprezentacją orientacji w przestrzeni 3D. • Minimalna reprezentacja składa się z trzech parametrów zwanych kątami Eulera odpowiadających złożeniu trzech elementarnych obrotów układu A względem wybranych osi w przestrzeni. Opis taki jest jednak niejednoznaczny. Istnieje dwanaście różnych zbiorów Kinematyka manipulatora przemysłowego 20 kątów Eulera odpowiadających możliwym sekwencjom rotacji elementarnych wokół osi układu bieżącego oraz dwanaście wokół osi układu ustalonego. • W robotyce najczęściej stosowane są dwie konwencje kątów Eulera. Kąty XYZ • Kąty XYZ (zwane kątami RPY z ang. Roll-Pitch-Yaw – kołysanie boczne, kołysanie wzdłużne, zbaczanie). Wyjściowa macierz rotacji wynika ze złożenia następującej sekwencji obrotów wokół osi ustalonego układu odniesienia: obrót o kąt wokół osi XB, obrót o kąt wokół osi YB i obrót o kąt wokół osi ZB. Kinematyka manipulatora przemysłowego 21 Kąty ZYZ • Kąty ZYZ (zwane kątami precesji, nutacji i obrotu własnego). Wyjściowa macierz rotacji wynika ze złożenia następującej sekwencji obrotów realizowanych wokół osi bieżącego układu odniesienia: obrót o kąt wokół osi ZA; obrót o kąt wokół osi YA’ i obrót o kąt wokół osi ZA’’ Kinematyka manipulatora przemysłowego 22 Opis ruchu manipulatora – kinematyka manipulatora • Kinematyka zajmuje się analizą ruchu (położeniem, prędkością i przyspieszeniem) bez uwzględniana sił wywołujących ten ruch. • Kinematyka pozycji i orientacji (kinematyka położenia) wynika jedynie z geometrycznych (statycznych) własności manipulatora – tzw. parametrów kinematycznych. Kinematyka manipulatora przemysłowego 23 Dwa zadania związane z kinematyką położenia dla manipulatora: • zadanie proste kinematyki położenia, • zadanie odwrotne kinematyki położenia. • Zadanie proste kinematyki – polega na określeniu pozycji i orientacji układu współrzędnych końcówki roboczej względem układu podstawowego na podstawie zadanych wartości współrzędnych konfiguracyjnych manipulatora. Rozwiązanie zadania kinematyki prostej daje zawsze jednoznaczne rozwiązanie. Kinematyka manipulatora przemysłowego 24 • Cztery możliwe rozwiązania zadania kinematyki odwrotnej dla manipulatora Stäubli Kinematyka manipulatora przemysłowego 29 Podstawowa metoda programowania robotów przemysłowych to metoda Teach and Repeat. Polega na ręcznym ustawieniu końcówki ramienia manipulatora w żądanych lokalizacjach i ich zapamiętaniu w systemie sterownika. Sekwencyjne odtwarzanie kolejnych lokalizacji daje program ruchowy manipulatora. Reprezentacje punktów lokalizacji w systemach robotów przemysłowych 6-DoF: Podstawy programowania robotów 30 • w przestrzeni konfiguracyjnej w postaci wektora sześciu liczb q1...q6 reprezentujących wartości poszczególnych kątów/przesunięć w przegubach manipulatora • reprezentacja w przestrzeni kartezjańskiej złożona z sześciu liczb X,Y,Z,α,β,γ reprezentujących pozycję (X,Y,Z) i orientację (trzy kąty Eulera α,β,γ) układu końcówki manipulatora względem układu globalnego (odniesienia). Realizacja ruchu końcówki roboczej manipulatora Automatyczny ruch między nauczonymi punktami w przestrzeni roboczej realizowany jest za pomocą komend ruchu. Rodzaj ruchu miedzy dwoma punktami wynika z przyjętej strategii zwanej interpolacją trajektorii. Podstawowe rodzaje interpolacji ruchu końcówki w przestrzeni zadania: • Ruch od punktu do punktu (Point to Point) – końcówka jest Podstawy programowania robotów 31 prowadzona wzdłuż najszybszej ścieżki łączącej oba punkty, • Ruch liniowy – końcówka jest prowadzona wzdłuż prostej łączącej oba punkty w przestrzeni zadania, • Interpolacja typu kołowego - końcówka jest prowadzona wzdłuż łuku okręgu łączącego oba punkty w przestrzeni zadania. Planowanie realizacji zadania Planowanie zadania wymagania określenia punktów w przestrzeni zadania umożliwiających: • Szybkie i bezkolizyjne przejście pomiędzy elementami otoczenia (ruchy z interpolacją PTP), • Prawidłowe pobranie, manipulację i odkładanie elementów (ruchy z interpolacją liniową), Podstawy programowania robotów 32 • Odtworzenie żądanej ścieżki narzędzia w przestrzeni zadania (kombinacje ruchów z interpolacją PTP, liniową i kołową, ruchy typu SPL, wykorzystanie pakietów technologicznych). • Ponadto należy uwzględnić prawidłową interakcję sterownika robota z otoczeniem (obsługa wejść/wyjść, komunikacja z PLC, itp.). Etapy przygotowania i testowania programu • Zebranie punktów w przestrzeni roboczej niezbędnych do realizacji zadania, • Przygotowanie programu sterującego z odpowiednimi ruchami pomiędzy punktami (wybór rodzaju interpolacji ruchu) i interakcją z otoczeniem, • Testowanie programu w pracy krokowej z ograniczoną prędkością, Podstawy programowania robotów 33 następnie powtórzenie testu w pracy ciągłej (powtórzyć zwiększając prędkości do wartości maksymalnych w trybie testowym), • Uruchomienie programu w trybie automatycznym ze zredukowaną prędkością ruchu a następnie powtórzenie z maksymalną. Planowanie chwytu przenoszonego ładunku do transportu • Wprowadzenie lokalizacji L związanej z ładunkiem, • Podjazd końcówki robota z pozycji początkowej P do punktu A położonego o odległość distance od lokalizacji L licząc wzdłuż osi Z narzędzia robota, • Otwarcie szczęk chwytaka, Podstawy programowania robotów 34 • Dojazd po linii prostej chwytakiem do lokalizacji L związanej z ładunkiem, • Zamknięcie szczęk chwytaka i uchwycenie ładunku, • Odjazd z ładunkiem po linii prostej od lokalizacji L do punktu bezpiecznie oddalonego od miejsca uchwycenie ładunku, • Transport ładunku do lokalizacji docelowej.