Servisní robotické systémy

Transkript

1 Úvod Důležitost robotizace v současné výrobní sféře i v některých dalších speciálních oblastech je zřejmá. Základní dělení robotů může být např. průmyslové roboty a manipulátory (PRaM) mobilní a servisní roboty Mobilní a servisní roboty Trendy současného světového vývoje v oblasti mobilních a servisních robotů ukazují na značně široké spektrum možností jejich uplatnění. Na rozdíl od průmyslových robotů nacházejí využití především v nestrojírenských oblastech. Je to zřejmé už z toho, že servisní roboty jsou definovány jako technická zařízení, která se podílejí na nevýrobních činnostech. To znamená, že jsou nasazovány především do oblasti služeb a uspokojování nejrůznějších potřeb lidí nebo firem. Servisní robotické systémy Oblast nepřirozeného prostředí (nosiče sond a technologických zařízení mořské, podzemní, vesmírné, tělové...) Oblast nebezpečného prostředí (nosiče zbraňových systémů, destrukčních zařízení, manipulace s nebezpečným materiálem...) Oblast veřejného prostředí (mobilní systémy pro čištění, monitoring, údržbu, manipulaci, veřejný dozor...) Oblast domácího prostředí (mobilní systémy pro domácí práce, domácí servis, pomocné práce, obslužné práce...) Oblast osobního životního prostředí (protetická zařízení, ortetická zařízení, pomocné práce, zábava, osobní obsluha...) Obr. 1. Oblasti použití servisních robotických systémů Různorodost a kvalita prováděných úloh (činností) se odráží ve velkém rozptylu požadavků na servisní roboty, které jsou na ně kladeny v souvislosti s prováděním těchto úloh. To vše klade velké nároky na jejich design, vybavenost potřebnými pohony, senzory, způsob řízení, komunikaci s okolním prostředím apod. 1

2 Servisní roboty nacházejí uplatnění zejména všude tam kde je prostředí pro člověka nebezpečné, těžko dostupné či dokonce nedostupné. Jako příklad lze uvést monitorování zamořeného prostředí radiací nebo chemickými látkami, monitorování kráterů sopek, podmořského dna, povrchu jiných planet apod. Mobilní servisní roboty určené k provádění monitorování, inspekčních činností, manipulace s předměty apod. jsou často vybaveny manipulačními nástavbami. Mohou tak provádět např. manipulační činností, transport předmětů nebo provádět různé technologické operace apod. Vzhledem k široké oblasti uplatnění nacházejí využití různé typy a konstrukce servisních robotů. Může přitom jít o roboty pohybující se na kolovém nebo pásovém podvozku, létající, plavající, s plazivým pohybem apod. Mohou se pohybovat ve vnitřním nebo venkovním prostředí. Servisní roboty se mohou dělit podle nejrůznějších hledisek. Z hlediska způsobu řízení pak může jít o roboty autonomní nebo naváděné operátorem. Celou řadu servisních robotů nasazovaných v nestrojírenských oblastech lze pojmenovat jako biorobotická zařízení. Zde se jako příklad dají uvést různé konstrukce dvou a vícenohých kráčejících robotů, skákající roboty apod. Uvedené příklady konstrukcí mohou být vybaveny biorobotickými kloubovými rameny a antropomorfními (víceprstými) chapadly. Konstrukce těchto robotů vycházejí z principu stavby lidského těla, případně zvířat, hmyzu nebo rostlin. Průmyslové roboty a manipulátory K oblastem výroby, kde jsou PRaM (průmyslové roboty a manipulátory) nejvíce rozšířeny, patří na celém světě průmysl automobilový, zvláště pak v Japonsku, USA, NSR a Francii. K dalším oblastem rozvinutého užití PRaM patří stavebnictví, lesní hospodářství, kosmický výzkum. Roboty slouží k práci v mimořádně náročných podmínkách pod vodou, v atomových elektrárnách, při svařování, lití apod. Bez PRaM se neobejde armáda a policie, výroba spotřební elektroniky, doprava, manipulace, montáž a skladování. První robot se objevil v USA v roce 1942, ve výrobě vyspělých zemí jsou dnes nasazeny stovky a tisíce PRaM: Průmyslový robot (PR) je automaticky řízený stroj, sloužící člověku ke zpracování látek, energie a informace resp. ke změnám či udržení prostředí člověka. Slouží k obsluze strojů jako jsou obráběcí, zpracovatelské a dopravní stroje, nebo jako náhrada lidí v pracovním procesu. Od ostatních strojů se PR obvykle liší: možností přizpůsobení různým průmyslovým požadavkům efektorem, upevněným na pohyblivém ramenu (efektor je pracovní orgán robotu) pamětí k uložení sledu automaticky opakovatelných pohybů. PR jsou programovatelné a mohou být zařazeny do pracovního procesu na základě vhodné inicializace Definice RIA (Robot Institute of America): PR je volně programovatelný manipulátor ve více funkcích, k tomu konstruovaný, manipulující s materiálem (polotovary či výrobky, nástroji a zvláštními přístroji). Měnitelný program umožňuje provádět víceznačné úkoly. Definice ISO (International Standard Organisation ): PR je automatický, polohově řiditelný, pružně programovatelný vícefunkční manipulátor s různými osami, který je schopen vykonat opakovaně pohyb materiálu (částí, nástrojů a speciál, nářadí) různě naprogramovanými operacemi. Definice VDI (Verband Deutscher Ingenieuren / (Richtlinie 2860): PR jsou univerzálně upotřebitelné automaty pohybu o více osách, jejichž pohyby včetně jejich sledu a drah (úhlů) jsou vedeny samovolně (íj. bez mechanického zásahu) - programově a je-li zapotřebí, jsou PR vybaveny chapadly, nástroji nebo ostatními prostředky opracování a mohou provádět přemisťování a/nebo výrobu. 2

3 Manipulátor Název manipulátor (v textu M) používáme příležitostně jako synonymum PR. Název manipulátor je odvozen z latinského manus (ruka, rameno) a platí obecně pro stroje, napodobující funkci lidského ramene. Posouvají hmotné objekty po dráze v prostoru a volně nakládají s řídicím hnacím ústrojím s podobnou funkcí lidského ramene. Manipulátor je řiditelné rameno(v případě PR opakovaně programovatelné). Manipulátory lze členit podle různých hledisek: podle způsobu řízení: MSM (Master-slave-manipulátor), řízení kopíruje lidské pohyby (teleoperátory) silové manipulátory, řízení je zadáváno manuálně řízení PR je naprogramováno a uloženo v paměti Japonci rozlišují 6 kategorií řízení: 1) manuální, bez programu 2) pevně programovatelné 3) volně programovatelné, 4) programově řízené bez vlastní inteligence-playback 5) číslicově řízené,podobné NC-strojům 6) inteligentní podle provedení a uspořádání pohonu: vedené operátorem zesilované zesilovačem s elektrickým nebo hydraulickým pohonem podle místa nasazení: jaderné hlubinné mikroelektronické stavební atd. podle vlastní pohyblivosti, konstrukce, tvaru pracovního prostoru apod Hlavní části průmyslového robotu - některé jsou uvedeny např. na obr. 2 : pohony rotační a posuvné (elektrické, hydraulické a pneumatické) převody mechanické energie efektor je akční člen robotu (hlavice), např. chapadla, montážní nástroje apod. podpůrné konstrukce a různá vedení: konzoly, příruby, kuličková vedení převodníky informací: čidla řídicí orgány: periferní počítač, zpracování informace pro řízení pohonu periferní orgány: vnější paměť, bezpečnostní systém Periferií rozumíme souhrn všech zařízení, se kterými PR spolupracuje z důvodu své funkčností anebo proto, že není sám robot dostatečně vybaven pro splnění zadaného úkolu. Mezi periferie bychom neměli počítat základ nebo portál robotu, řízení a programovací terminál. Naopak mezi periferie patří dopravníky, zásobníky (valivé, otočné, pásové, páskové, hadicové), otočné stoly apod. 3

4 Obr. 2. Popis PR a jeho periferie 1 spodní rameno 11 stojan 2 souřadnice osy kloubu ramene 12 základ 3 horní rameno 13 skříň řízení 4 možnost naklopení ramene 14 ruční ovladač 5 možná rotace zápěstí 15 paleta 6 souřadnice chapadla 16 předmět manipulace (zátěž) 7 směry otáčení chapadla 17 souřadný systém předmětu 8 chapadlo 18 souřadný systém robotu 9 souřadnice dráhy 19 motor + odměřovací systém 10 možnost rotace stojanu 20 kloub ( osa") Pro snadnější orientaci uveďme používané symbolické označení pro popis robotu z normy VD a ČSN : hlavní osy X,Y,Z pomocné osy U,V,W (osy pouze určují polohu a orientaci efektoru ) osy otáčení (rotace) A.B.C.D.E.F ostatní osy Q,R,S,T Lomítkem mezi písmeny oddělujeme hlavní osy od os pomocných. K označení typu struktury jsou používána označení R.. rotační pohyb P.. posuvný pohyb (Např. pro 3 osy pohybu existují možnosti PPP, PPR, PRP, RPP, PRR, RPR, RRP, RRR) Tvorba a velikost pracovního prostoru jsou určeny strukturou a kinematickými rozměry ramene manipulátoru. Konstrukční celek ramen se skládá z: nepohyblivého podstavce coby vztažného systému pracovního prostoru pohybové pojížděcí, posuvné a rotační jednotky 4

5 Elektrické rotační pohony průmyslových robotů Každý kloub robotu (méně správně osa" robotu) je poháněn(a) motorem, který pro své vlastnosti je nazýván servomotor. Spojení servomotoru, napáječe a vhodné regulace tvoří ucelenou jednotku (servopohon). Nejčastěji se jedná o servomotor elektrický, i když v některých případech jsou použity servomotory konkurenční - pneumatické, nebo hydraulické. V těchto skriptech však není věnována pneumatickým, ani hydraulickým servomotorům z důvodu omezeného rozsahu skript. Elektrické servomotory (také tzv. řiditelné motory) jsou motory, speciálně navržené a stavěné jako součást zpětnovazebního systému řízení. Výkon servomotorů pro PR je řádu několika stovek wattů. Mají velkou rychlost odezvy, k čemuž přispívá malý moment setrvačnosti motoru a zvětšený odpor rotoru. Běžně pracují při malé nebo i nulové rychlosti otáčení a z důvodu přípustného oteplení mají větší rozměry, než konvenční motory stejného momentu. Servopohony PR procházejí určitým vývojem podobně jako ostatní pohony. A tak se v současnosti začíná mluvit kromě krokových a stejnosměrných motorů rovněž o servomotorech bezkomutátorových. Firma Baumueller (Norimberk) přechází u pohonů kloubových PR od motorů diskových k bezkomutátorovým servomotorům, opatřenými neodymovými magnety a s rotory válcovými o malém momentu setrvačnosti. Elektrické lineární pohony průmyslových robotů a manipulátorů Lineární motory patří mezi speciální pohonné jednotky robotiky. Mohou podstatně zjednodušit kinematické struktury robotů, zejména pojezdů menších portálových PR. Činnost většiny lineárních motorů je založena na stejném elektromagnetickém principu jako u motoru rotačních. Počet mechanických dílů je však menší, protože není nutné rotační pohyb převádět na pohyb přímočarý. Oproti rotačním motorům mají větší vzduchovou mezeru. Patří mezí motory přímé a vyrábí je dnes více než 20 světových firem. Obr. 3. Elektrický lineární motor Lineární servomotor je nejčastěji motor elektronicky komutovaný (bezkartáčový), který má obvykle tři fáze 5

6 Lineární motor synchronního typu Obr. 4. Synchronní typ lineárního motoru s permanentními magnety Pro lineární motor, u kterého je magnetická indukce rozložena podél vzduchové mezery sinusově můžeme předpokládat, že pro synchronní rychlost motoru při pólové rozteči T p platí: v =2 f T p Synchronní rychlost při 50 Hz se pohybuje často v mezích od 3 m/s do 6 m/s, zrychlení do 50 m/s 2. Lineární motory synchronního typu se vyrábějí nejčastěji ve variantách,ac" a EC". Lineární motor asynchronního typu (LAM) Obr. 5. Schéma LM asynchronního typu Princip LAM je stejný jako u trojfázového asynchronního motoru. Místo rotujícího magnetického pole využívá LAM lineárně pohybující se pole, zabírající s klecovitým, nebo masivním rotorem. Na obr. 5 je vyobrazen LAM dvoupólový stroj s jednou cívkou na fázi a pól. Magnetické pole, vytvořené primárním vinutím, postupuje synchronní rychlostí v s. Synchronní rychlost je opět v s = 2T p.f, kde T p je pólová rozteč, f je frekvence napájení. 6

7 Na rozdíl od klasického rotačního indukčního stroje nezávisí synchronní rychlost lineárního motoru na počtu pólů (může být použit jak sudý, tak lichý počet pólů). Větší počet pólů zvyšuje ovšem vyvinutou celkovou tažnou sílu. Skutečná rychlost sekundáru LAM v je nižší o hodnotu skluzu s: v = v s (l-s) Velké trojfázové LAM nacházejí využití u jeřábů, trakčních motorů pro rychlodráhy, dopravníků, čerpadel, pro starty letadel a řízených střel a všude tam, kde je požadován lineární pohyb. Menší LAM, které používají primář s pomocnou fází jsou aplikovatelné při otevírání (zavírání) dveří a podobných polohových aplikacích. Lineární krokový motor Lineární krokové motory jsou analogií rotačních krokových motorů. Použití je vhodné zejména u PR, určených pro plošnou montáž. Obr. 6. Lineární krokový motor Čidla - odměřovací systémy robotů Nejdůležitějšími parametry pohybu robotu jsou okamžitá pozice a rychlost os, neboť každá servořízená osa obecně tvoří regulační obvod rychlosti a regulační obvod polohy. Je úlohou měřícího systému parametry polohy a rychlosti získat a předat je řízení robotu ve tvaru elektrického signálu (analogového-spojitého, binárního-dvouhodnotové, nebo digitálního-číslicového, impulsního). Dalšími sledovanými veličinami u PR jsou proud, tlak, vizuální podněty a technologické údaje. Rozdělení čidel: lineární a rotační (princip stejný, provedení různé) absolutní. odpovídá-si výstupní signál čidla jednoznačně měřené veličině v libovolném okamžiku, tedy i po znovu obnovení přerušené dodávky elektrické energie 7

8 inkrementální, je-li výstupní signál čidla tvořen součtem všech přírůstků odměřování a jeli tím vázán na počátek odměřování. Po obnovení napětí v síti se musí odměřování vrátit do výchozího počátku analogová, je-li výstupní signál spojitý a úměrný vstupní fyzikální veličině digitální (číslicová). nabývá-!i výstupní signál určitého množství diskrétních hodnot, ačkoliv vstupní fyzikální veličina je spojitá inteligentní čidla (smart sensors) sama upravují zachycené měřené hodnoty a dávají již zhuštěné, přefiltrované a korigované informace o měření (čidlo může byt vybaveno několika snímači). Je známo, že čidla reagují kromě užitečných vstupních signálů více méně také na různé další rušivé fyzikální veličiny, které způsobují v naměřené hodnotě systematickou a nepravidelnou chybu. Není-li provedeno příslušné opatření, je tím užitečná informace čidla silně znehodnocena. Proto inteligentní čidlo znamená spojení hardwarového a softwarového vybavení. Obecně má integrovaný mikropočítač v čidle roli předpracování měřené veličiny, korekce chyb, eventuálně automatického kalibrování (bylo by lépe hovořit o systému čidla, využívajícího podporu počítače). dotyková a bezdotyková aktivní (energetická nepotřebují napájení), pasivní (parametrická s R,L,C,M - potřebují zdroj napájení). - Čidla rychlosti - analogová, číslicová - lineární, rotační - stejnosměrná, (střídavá) - Čidla natočení hřídele Inkrementální měřící systém natočení (princip většinou fotoelektrický) Obr. 7. Přiklad inkrementálního optoelektrického čidla a jeho připojení k počítači U inkrementální měřící metody je celkový rozsah pohybu jedné osy rozdělen na malé kroky, zvané inkrementy. Elektronické zařízení registruje při pohybu osy robotu každý krok a mění ho na elektrické impulzy, jejichž součet odpovídá ujeté dráze. 8

9 Digitální čidla úhlu natočení absolutní (kódovaná) Jsou nejčastěji realizovány jako optoelektrické systémy s kódovanými pravítky, protože umožňují z možných dalších způsobů nejlepší rozlišení. Snímače transformují polohu přímo na kód. Počet bitů stop kódového pravítka (délka kódového slova) závisí na požadované přesností odečítání polohy a odměřované délce. Používají se obvykle kód binární a kód Grayův. Použití Grayova kódu je pro vyhodnocení polohy výhodnější. neboť pří přechodu mezi sousedními polohami dochází u něj ke změně pouze jediného bitu. Obr. 8. Kódované kotouče pro absolutní odměřováni polohy 9