Mechatronika a robotika jako vědní disciplína

Transkript

1 Úvod do robotiky a mechatroniky (URM) Přednáška č. 1: Mechatronika a robotika jako vědní disciplína M. Švejda FAV, ZČU v Plzni, Katedra kybernetiky poslední revize:

2 Organizace předmětu URM Přednášející: Ing. Martin Švejda, UN 534, Garant předmětu: Prof. Ing. Miloš Schlegel, CSc., UN 539, Přednášky: úterý 8:25-11:00, UC 453 Cvičení: čtvrtek 12:05-13:45 (závislé na přednáškách), UL 432, UN 534, vyučující: Ing. Arnold Jáger Podmínky absolvování předmětu: Vypracování semestrální práce (návod na vypracování bude řešen v rámci cvičení) Závěrečný písemný test (termín bude včas upřesněn) Ústní zkouška (po závěrečném testu)

3 Semestrální práce zápočet zadání pro maximálně dvojice studentů (jeden referát, jedny simulační výsledky) odevzdání semestrální práce alespoň týden před zkouškou příprava na řešení sem. práce v rámci cvičení zadání sem. práce obdržíte během semestru podmínky vypracování sem. práce - viz cvičení

4 Doporučená literatura: Přednášky z předmětu URM (dostupné na: M. Goubej, M. Švejda, M. Schlegel: Úvod do mechatroniky, robotiky a systémů řízení pohybu (skripta, KKY, ZČU, 2012) M. Švejda: Kinematika robotických architektur (práce k státní dok. zk, 2011, stále aktualizovaná verze, dostupné na: L. Sciavicco, B. Siciliano: Modelling and Control of Robot Manipulators (Springer, 2nd edition, 2000) W. Khalil, E. Dombre: Modeling, Identification and Control of Robots (Butterworth-Heinemann, 2004) Mark W. Spong, Seth Hutchinson, and M. Vidyasagar: Robot Modeling and Control (JOHN WILEY and SONS, INC.) odborné články a výzkumné zprávy řešené na KKY v oblasti robotika (dostupné na:

5 Mechatronika Definice: Mechatronika sjednocuje principy mechaniky, elektroniky, optiky, informatiky a automatického řízení za účelem konstruování jednodušších, účinějších a spolehlivějších systémů. Pojem mechatronika prvně použit inženýr japonské firmy Yaskawa (výroba el.servopohonů, atd.), Tetsuro Mori v roce Mezi disciplínami mechatroniky má význačné postavení technická kybernetika, konkrétně obor automatické řízení dodává skrytý důmysl elektromechanickým zařízením prostřednictvím vhodných senzorů, aktuátorů a principů zpětnovazebního řízení (vložené řízení) možnost lokálně měnit fyzikální zákony ve smyslu jejich vnímání pozorovatelem

6 Mechatronika Příklady: Stabilizace nestabilních rovnovážných poloh zařízení (inverzní kyvadlo na vozíku, inverzní rotační kyvadlo, portálový robot balancující míč,...) Aktivní potlačení kmitů (např. piezo senzor + aktuátor měnící frekvenční chování nosníku,...) Aktuátory robotu zvyšující tuhost konstrukce, atd. Takové systémy považujeme za aktivní mechanické soustavy - změna fyzikálních vlastností pasivního systému je docílena aktivním působením nějakého pomocného zdroje energie (řídící systém)

7 Mechatronika - obory a aplikace

8 Mechatronika - ne které typické aplikace 1 Mikro a nano elektromechanické systémy (MEMS/NEMS Micro/Nano-Electro-Mechanical Systems) elektromechanické snímac e v jediném c ipu (elektronika + mechanika + r ízení) snímání neelektrických velic in (rychlosti, zrychlení, náklon, atd.) kombinace technologií MEMS/NEMS do kompaktních jednotek, napr. Inertial measurement unit (me r ení rychlostí, zrychleních orientace pohybujících se pr edme tu ) IMU (3x akcelerometr, 3x gyroskop) MEMS akcelerometr M. Švejda pr edme t URM, pr ednáška c. 1

9 Mechatronika - některé typické aplikace 2 Průmysl motorových vozidel elektronické řízení výkonu, drive-by-wire systémy, tempomaty, řízení odstupu vozidel automatické převodovky, brzdové systémy (ABS), řízení trakce (ESP) 3 Aktivní tlumení vibrací mechanických soustav v technologických procesech dochází k vybuzování vlastních frekvencí mech. soustav (torzní kmitání hřídele motoru, kmitání vetknutého nosníku, suportu obráběcího stroje, kmitání břemene zavěšeného na pružném laně jeřábu, atd.) Metody tlumení: předzpracování vstupního signálu filtrem tak, aby nevybudil kmitavé módy systému (Zero Vibration Filter) (přímovazební řízení) potlačení vibrací zpětnovazebním řízením (pole placement, frequency shaping, atd.)

10 Mechatronika - některé typické aplikace (HIL) 4 Hardware in the loop (HIL) s rozvojem výpočetní techniky velmi efektivní metoda návrhu řídicích systémů (rapid prototyping) jedna část řídicí smyčky (např. model brzdového systému automobilu) simulována numericky na dané hardwarové platformě (matematicky-fyzikální modelování, identifikace, vstupní a výstupní moduly (rozhraní), atd.) druhá část řídicí smyčky (např. řídící jednotka ABS) reprezentována reálným zařízením s příslušnými vstupy a výstupy model je vytvořen a řízen tak, aby simuloval různé pracovní podmínky, se kterými se musí řídící jednotka vypořádat

11 Mechatronika - některé typické aplikace (HIL) hlavní důvody použití HIL: rozšíření možnosti testování: testy řídící jednotky na reálném zařízení jsou často limitujícím faktorem (extrémní podmínky testů bezpečnost, atd.), numerický model snese nesnesitelné zacházení (řízení) bez fatálních důsledků paralelní vývoj: HIL umožňuje paralelní vývoj prototypu a algoritmů řízení (testování řízení na numerickém modelu) rychlý vývoj (např. v okamžiku dokončení prototypu motoru automobilu je již 95% řízení navrženo metodou HIL) režijní náklady na tvorbu prototypu: tvorba prototypu je mnohem nákladnější, než tvorba numerického modelu (např. HIL testování řídících jednotek proudových motorů je cca 10x levnější než výroba prototypu) začlenění lidského faktoru: v mnoha aplikacích nutno uzpůsobit řízení s ohledem na interakci s obsluhou (např. u systém flight-by-wire nutno nastavit vhodně interakci kniplu s obsluhou (force feedback) nutné začlenění člověka do návrhu HIL zajišt uje bezpečnost, nízké náklady, paralelní vývoj, atd...)

12 Mechatronika - některé typické aplikace (MBD) 4 Model based design (MBD) metoda syntézy řídicích systémů založená na využití matematického modelu řízeného systému efektivní přístup k organizaci celého procesu syntézy řídících systémů založený na tzv. V diagram založeno na modulárním přístupu (bloky reprezentující model řízeného systému, regulátoru, atd.) MBD umožňuje analyzovat chování kompletního řídícího systému mnohem dříve, než je řízení aplikováno na reálném prototypu díky moderním softwarovým nástrojům (Matlab, Simulink, SimMechanics, Maple, Mathematica, Modelica, atd.) lze vytvářet komplexní modely reálných aplikací (multi-domain modeling) závažné chyby v návrhu zařízení či řídícího systému možno odhalit v rané fázi (před zahájením nákupu komponent, fyzické realizaci prototypu, atd.)

13 Mechatronika - některé typické aplikace (MBD) V diagram

14 Mechatronika - některé typické aplikace (MBD) Příklad MBD (1/4): Návrh konstrukce 4 DoF manipulátoru (RRPR) pro obvodové UZ měření svaru nátrubku Cíl: specifikovat aktuátory manipulátoru metodou MBD (pro danou konstrukci manipulátoru) model manipulátoru vytvořen v prostředí Simulink/SimMechanics generátor trajektorie - požadovaný pohyb koncového efektoru po měřeném svaru (poloh, rychlost, zrychlení) inverzní kinematické úloha - transformace požadovaného pohybu konc. ef. do kloubových souřadnic manipulátoru požadované polohy, rychlosti a zrychlení aktuátorů využito režimu inverzní dynamiky - v důsledku požadovaného pohybu kloubů manipulátoru (poloha, rychlost, zrychlení) jsou generovány požadované silové působení v kloubech manipulátoru požadované síly/silové momenty aktuátorů

15 Mechatronika - některé typické aplikace (MBD) Příklad MBD (2/4): sériový neredundantní manipulátor typu RRPR 3 rotační aktuátory (včetně pojezdu po potrubí), 1 lineární aktuátor 4 DoF koncového efektoru(3 translační, 1 rotační)

16 Mechatronika - některé typické aplikace (MBD) Příklad MBD (3/4): Simulační model Simulink/SimMechanics Vizualizace Simulink/SimMechanics

17 Mechatronika - některé typické aplikace (MBD) Příklad MBD (4/4): q1 [rad, rad/s, rad/s 2 ] max. [V,A] = [1.2499, 1.25] [rad/s,rad/s 2 ] 4 pos 2 vel accel t[s] t[s] q2 [rad, rad/s, rad/s 2 ] max. [V,A] = [ , ] [rad/s,rad/s 2 ] t[s] max. [dp,minp,v,a] = [ , , , ] [m,m/s,m/s max. 2 ] [V,A] = [ , ] [rad/s,rad/s 2 ] q3 [m, m/s, m/s 2 ] q4 [rad, rad/s, rad/s 2 ] t[s] Požadované polohy/rychlosti/zrychlení aktuátorů q1 M[Nm] q3 F[N] 5 0 max. M = [Nm] t[s] max. F = [N] t[s] q2 M[Nm] q4 M[Nm] max. M = [Nm] t[s] max. M = [Nm] t[s] Požadované síly/momenty aktuátorů

18 Robotika robotika = nauka o robotech (celý proces zrození robotů) jeden z významných odvětví oboru mechatronika mezi významné obory robotiky patří: návrh konstrukce manipulátoru (MBD, optimalizace struktury/parametrů, volba senzorů a aktuátorů) návrh vhodného algoritmu řízení (kinematické závislosti, centralizované/decentralizované metody řízení, generování trajektorií, tlumení vibrací, vizualizace, atd.) simulace a testování (HIL, využití pokročilých softwarových nástrojů, testování prototypu, atd.) finální uvedení do provozu (optimalizace uživatelského rozhraní, např. pro speciální aplikace)

19 Robotika (základní rozdělení robotů) 1 Manipulátory původně mechanická, později elektromechanická zařízení hl. účel: zesilovat a/nebo zpřesňovat práci člověka např. pákové a kladkové mechanismy, bagry, nakladače, atd. rozvoj technologií manipulátory obsazují celou řadu průmyslových aplikací (přesné, bezchybné, neúnavné nahrazení práce člověka) ve skladech: zakládací, třídící, přerovnávací manipulátory na výrobních linkách: manipulátory typu pick and place v průmyslových procesech: přesné broušení, svařování, leštění, lakování atd., aktivní tlumení vibrací průzkum nebezpečných, omezených, či nedostupných prostor manipulátory v lékařství

20 Robotika (příklady použití manipulátorů) Paralelní Delta manipulátor FlexPicker a svařovací roboty pro oblouková svařování firmy ABB

21 Robotika (příklady použití manipulátorů) Multiredundantní paralelní manipulátor firmy OC Robotics pro aplikace v omezených prostorech

22 Robotika (pr íklady použití manipulátoru ) Operac ní robot da Vinci Surgical System (od roku 2005 vlastní pražská nemocnice Na Homolce) M. Švejda pr edme t URM, pr ednáška c. 1

23 Robotika (základní rozdělení robotů) 2 Humanoidní roboty podobné člověku nejen vzhledem, ale i projevy inteligence kladen důraz na autonomii, reálné interakce s prostředím (kognitivní roboty) obor dnes vnímán jako špička a jeden z hlavních cílů robotiky založené nejen na mechatronickém základu (viz manipulátory), ale výrazně na disciplínách počítačového vnímání, porozumění, rozpoznávání a rozhodování humanoidní roboty nejsou dále uvažovány v průběhu přednášek předmětu UMR

24 Robotika (příklady použití humanoidních robotů) Robot BigDog a humanoidní robot PetMan z produkce BostonDynamics

25 Robotika (vymezení základních pojmů) Počet stupňů volnosti (DoF - Degrees of Freedom) Minimální počet parametrů (rotace, translace), který jednoznačně popisuje polohu bodu nebo tělesa v rovině či prostoru(bod v rovině - 2 DoF, v prostoru - 3 DoF, (tuhé těleso má v rovině 3 DoF, v prostoru 6 DoF). Obecná poloha tělesa v prostoru je určena jeho translací a rotací Translace - intuitivně zřejmá (souřadnice x,y,z libovolného bodu tělesa), rotace - nejčastější reprezentace prostřednictvím matice rotace, Eulerových úhlů, kvaternionů, atd. Základna manipulátoru Pevná (nepohyblivá) část manipulátoru - na které je definován pevný světový souřadný systém. Koncový efektor manipulátoru zobecněné souřadnice X Poslední část resp. rameno manipulátoru, ke kterému jsou obvykle připevňovány různé pracovní nástroje. Tato poloha je cílem řízení.

26 Robotika (vymezení základních pojmů) Klouby manipulátoru určeny počtem a typem stupňů volnosti klouby typu P (prizmatický), R (rotační), U (univerzální, kardanův), S (sférický) Kinematický řetězec Tvoří jej kinematické dvojice - spojení dvou pevných těles (ramen) danou vazbou (kloub - omezují vzájemný pohyb ramen). Např.: RRR, RPR (podtržení označuje aktivní kloub (aktuátor)). Aktuátory manipulátoru Pohonné jednotky manipulátoru. Typické aktuátory tvoří rotační pohony (rotační elektromotory) a lineární (přímočaré) pohony (elektrohydraulické válce, lineární elektromotory). Klouby, které reprezentují aktuátory, nazýváme aktivními klouby aktivní kloubové souřadnice Q a. Ostatní klouby pasivní pasivní kloubové souřadnice Q p.

27 Robotika (vymezení základních pojmů) Domovská poloha manipulátoru Poloha koncového efektoru manipulátoru, při které jsou jeho aktivní kloubové souřadnice Q a nastaveny takovým způsobem, že koncový efektor manipulátoru zaujímá výchozí (domovskou) polohu. Pracovní prostor manipulátoru Množina všech X, které mohou být dosaženy pro dané omezující podmínky kladené na manipulátor (např. maximální/minimální vysunutí/natočení aktuátorů, omezení na pohyb pasivních kloubů, omezení zabraňující překřížení či srážkám ramen manipulátoru, omezení na kvalitu pracovního prostoru). Přímá kinematická úloha (PKÚ) Reprezentovaná obecně nelineární transformací X = G(Q). Tedy problém nalezení zobecněných souřadnic X pro dané hodnoty souřadnic kloubových Q. Zpětná/inverzní kinematická úloha (IKÚ) Reprezentovaná obecně inverzní nelineární transformací Q = G 1 (X). Jedná se tedy o problém nalezení kloubových souřadnic Q pro dané hodnoty souřadnic zobecněných X.

28 Robotika (vymezení základních pojmů) Přesnost manipulátoru Je dána odchylkou požadované polohy a skutečné polohy (z referenčního/kalibračního měřidla) koncového efektoru. Opakovatelnost manipulátoru Lze chápat jako maximální rozdíl mezi skutečnými polohami koncového efektoru získanými jeho přesunem do jedné požadované polohy z různých poloh počátečních. Redundantní manipulátory Počet nezávislých aktivních kloubových souřadnic (aktuátorů) je větší než počet DoF koncového efektoru manipulátoru přeurčená mechanická soustava (např. vyvarování singulárním polohám x nebezpečí destrukce nevhodným řízením) Počet nezávislých aktivních kloubových souřadnic i DoF koncového efektoru je shodný, ALE jeden či více DoF koncového efektoru neřídíme, např. tyčová elektroda svařovacího robotu (orientace v ose elektrody) - možno využít redundanci k optimalizaci pohybu robotu

29 Robotika (dělení manipulátorů dle mechanické konstrukce) 1 Sériové manipulátory základ tvoří otevřený kinematický řetězec (lze popsat acyklickým grafem) každé rameno manipulátoru je spojeno klouby právě se dvěma dalšími rameny s výjimkou ramen typu základna a koncový efektor (s ostatními rameny pouze jedinou vazbu) dnes patří k nejrozšířenějším mechanismům robotiky historicky první sériový manipulátor Unimate (George Devol, fa General Motors, 1961) sériový manipulátor typu RR a jeho reprezentace grafem manipulátor Unimate fy General Motors

30 Robotika (dělení manipulátorů dle mechanické konstrukce) 2 Paralelní manipulátory základ tvoří uzavřený kinematický řetězec (lze popsat cyklickým grafem) koncový efektor je spojen se základnou dvěma či více otevřenými kinematickými řetězci (sériovými manipulátory) původně spíše akademická záležitost, dnes nasazování v průmyslové praxi první zmínky již v 1. polovině 20. století v roce 1931 nechal James Gwinnett patentovat mobilní platformu pro zábavní průmysl paralelní manipulátor s kin. řetězci RR a jeho reprezentace grafem paralelní scara robot

31 Robotika (příklady paralelních manipulátorů 1/3) Pravděpodobně první paralelní manipulátor Jamese Gwinnetta (Byl opravdu prvním paralelním manipulátorem? Byl skutečně sestrojen?)

32 Robotika (příklady paralelních manipulátorů 2/3) Stewartova platforma nejznámější paralelní kinematickou architekturou objev bezpochyby náleží Ericu Goughovi (automobilový inženýr firmy Dunlop) Gough v roce 1954 představil paralelní platformu pro testování pneumatik letadlových podvozků při variabilním zatížení v roce 1965 představil D. Stewart na konferenci UK Institution of Mechanical Engineers paralelní architekturu leteckého simulátoru přesto, že Stewartův vynález byl odlišný od Goughova, dnes se Goughův vynález označuje často jako Stewartova platforma či Stewart/Goughova platforma Universal Tyre-Testing Machine

33 Robotika (příklady paralelních manipulátorů 3/3) Původní Stewartův paralelní letecký simulátor (diametrálně odlišný od Goughova vynálezu, nicméně... )

34 Robotika (sériový nebo paralelní manipulátor?) Sériové manipulátory + jednoduchá mechanická architektura Zpravidla jednodušší řešení přímé a inverzní kinematiky, přímá kinematika lze vždy řešit analyticky, inverzní kinematika obecně nelze řešit analyticky. - užitné zatížení manipulátoru Všechna ramena manipulátoru jsou zatěžována výhradně na ohyb a každé z ramen musí být dimenzováno tak, aby udrželo celou váhu břemene => manipulátor musí být dostatečně robustní (vyšší hmotnost, horší dynamické vlastnosti, poddajnost manipulátoru) - přesnost a opakovatelnost manipulátoru Nasčítávání chyb vzniklých při polohování jednotlivých ramen nejčastěji v důsledku jejich průhybů, případně chyb snímačů v jednotlivých aktuátorech => ztráta přesnosti a opakovatelnosti. - umístění aktuátorů Aktuátory musí být umístěny v každém kloubu manipulátoru (aktuátory se pohybují společně s manipulátorem) => horší dynamické vlastnosti, větší robustnost manipulátoru, nutnost vézt kabeláž v celé mechanické konstrukci. + pracovní prostor Relativně velký pracovní prostor. Paralelní manipulátory - složitější mechanická architektura Řešení přímé a inverzní kinematiky může být obtížnější, inverzní kinematika lze většinou řešit analyticky (s výjimkou složitých kinematických architektur), přímá kinematika obecně nelze řešit analyticky. + užitné zatížení manipulátoru Síla potřebná k udržení břemene je rozdělena mezi jednotlivé kinematické řetězce (koncový efektor manipulátoru je podepírán ve více bodech) => manipulátor nemusí být tak robustní (nižší hmotnost, lepší dynamické vlastnosti, vyšší tuhost manipulátoru) + přesnost a opakovatelnost manipulátoru Vzhledem k odlišné mechanické konstrukci jsou chyby vzniklé při polohování jednotlivých ramen průměrovány => dosažení větší přesnosti a opakovatelnosti. + umístění aktuátorů Aktuátory mohou být umístěné na základně manipulátoru (a to v mnoha případech i napevno) => lepší dynamické vlastnosti, lehčí konstrukce manipulátoru, možnost prostorově oddělit aktuátor (v případě že manipulátor musí pracovat v agresivním, vybušném či jinak nestandardním prostředí) - pracovní prostor Pracovní prostor je z důvodu složitější mechanické konstrukce více komplikovaný (neregulární tvar s řadou výdutí a prohlubní).

35 Děkuji za pozornost. Dotazy?