ROBOTY A PRUŽNÉ VÝROBNÍ SYSTÉMY. Studijní opora

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV VÝROBNÍCH STROJŮ, SYSTÉMŮ A ROBOTIKY Technická 2, Brno tel.: fax.: ˇ ROBOTY A PRUŽNÉ VÝROBNÍ SYSTÉMY Studijní opora Radek Knoflíček 2004

2 1 Úvod do robotiky Automat je řecké slovo s významem pro zařízení, jehož činnost probíhá bez trvalé účasti člověka. Snahy po vytvoření takového zařízení sahají až do období antiky. Philon Byzantský vytvořil automat podávající mýdlo v lázních, Heron Alexandrijský oltář s figurínami, které samočinně vylévají vodu na obětní oheň. Myšlenka o samočinném řízení mechanismu na základě po sobě přicházejících zvonkových hracích automatů. V roce 1808 J. M. Jocguard použil plechovou děrnou kartu k automatickému řízení textilního stroje a v roce 1952 je v USA uveden do provozu první číslicově řízený obráběcí stroj. Vývoj výrobních strojů je již dlouhou dobu doprovázen vývojem manipulačních zařízení. První konstrukce robotů, které blíže souvisí s dnešními představami o jejich podobě, vznikly po roce Výraznější zájem o automatizaci diskrétních procesů byl vyvolán na počátku 70. let výraznými změnami v technologii a v koncepcích výrobních strojů. Současná etapa rozvoje techniky se všeobecně označuje za období rozvoje automatizace, která navazuje na předcházející mechanizaci výrobních procesů. 1.1 Využití průmyslových robotů a manipulátorů Průmyslové roboty a manipulátory (v textu dále i jako zkratka PRaM) nacházejí nejčastější uplatnění zejména v následujících dvou oblastech: Výrobní oblast (strojírenství): manipulace s obrobky, výlisky a součástmi; PRaM jako prostředek svařování; nanášení nátěrových hmot; mobilní prostředek v PVS (ADV). Nevýrobní oblast: v kosmu (raketoplán); pod vodou (ponorka, batyskaf); na zemi (mobilní roboty); v medicíně (vlastní operace); stavebnictví (pokládání dlaždic); zemědělství (trhání jablek, postřiky); služby servisní činnosti (čistící MR, podávající nápoje); učící (školní didaktická pomůcka). Koncepce průmyslových manipulátorů a robotů se od počátku vyvíjí ve třech směrech. Za základní verzi je považována univerzální koncepce, od které se očekává schopnost v širokém rozsahu obsáhnout požadavky různých aplikací. Za opačný přístup lze považovat jednoúčelovou koncepci, která je ale velmi často spojována s představou o omezených funkčních schopnostech. Třetí, modulová koncepce, je určitým kompromisem mezi univerzálními a jednoúčelovými konstrukcemi. Podstatnou vlastností modulových konstrukcí je na jedné straně univerzálnost jednotlivých modulů a na druhé straně jednoúčelnost příslušné sestavy. Vývoj průmyslových manipulátorů a robotů byl zpočátku spojován s jejich uplatněním ve funkci pomocných zařízení pro obsluhu jednotlivě pracujících strojů v automatickém cyklu. Vývoj manipulačních zařízení úzce souvisí s reálnými možnostmi aplikací, které lze v současné době charakterizovat těmito rysy: 1. Výrazný přechod průmyslových robotů z prostoru čistě manipulačních funkcí do prostoru realizace technologických operací. 2

3 2. Zvyšování četnosti rozsáhlejších automatizovaných technologických systémů s podstatnou účastí průmyslových manipulátorů a robotů při zajišťování mezioperační manipulace, transportu i technologických operací. 3. Zvyšování významu jednotlivých manipulátorů v rámci obsluhy výrobních zařízení. 4. Pronikání progresivních technologických principů do prostoru jejich automatické realizace. 5. Řešení manipulačních operací přímo v rámci vlastní konstrukce výrobního zařízení. Zlepšování funkčních vlastností mechanického systému konstrukce manipulačních prostředků se orientuje především na tyto směry: a) Zvětšování rozsahu pohybových funkcí zejména orientací na dosažení dlouhých přímočarých pohybů. Jednoznačným motivem je zvládnout pohyblivosti ve větším prostoru. b) Ïntegrace manipulačních funkcí v rámci jedné kompaktní jednotky. c) Konstrukce kompaktních funkčních modulů na úrovni pohonů s integrovanými transformačními bloky a čidly, popřípadě na úrovni celých pohybových jednotek. d) Zvyšování úrovně technických parametrů s ohledem na zlepšení provozních vlastností Charakteristickou vlastností universitních typů průmyslových robotů monolitní koncepce zůstává pohybovými jednotkami, horizontální, popřípadě vertikální, osy kloubů a integrované stejnosměrné servopohony. Přitom jsou snahy po dosažení příznivějších vztahů mezi manipulačním (pracovním) a operačním prostorem. 1.2 Průmyslové roboty na světě Obr. 1: Počet ve nasazených robotů do roku 1997 (v tisících kusů) Investice do pořízení robotů, jakožto nejvýkonnějších průmyslových automatů, začaly zhruba od roku 1993 výrazně stoupat. Koncem roku 1993 tak na planetě pracovalo robotů, zatímco v roce 1997 jich má být už Zatímco v roce 1993 se prodalo kolem robotů, v roce 1997 by měl jejich prodej překročit

4 Více než polovina průmyslových robotů na světě pracuje ve Japonsku, kde jich na pracovníků připadá neskutečných 325. Za Japonském následuje Singapur (109), Švédsko (73), Itálie (70) a Německo (62). Průmyslové roboty nejvýrazněji pronikly do výroby motorů pro dopravní prostředky. Na celkovém počtu robotů se v předních zemích podílejí jednou třetinou až jednou polovinou. Ačkoli nejvíce robotů v Japonsku pracuje v elektrotechnickém a elektronickém průmyslu, tato země nasadila zdaleka největší počty do výroby automobilových motorů. 4

5 2 Úvod do problematiky Pro všeobecný pojem robot lze přijmout definici, vyslovenou Doc. Ing. Ivanem Havlem, CSc.: 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: 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 zrakem, hmatem, pamětí apod., schopností samovýuky, samoorganizace a adaptace, tj. přizpůsobivostí k danému prostředí. 2.1 Výkladový slovník Brainware SW vybavení počítačových systémů založených na bázi znalostí a expertních systémů. Hardware fyzická výbava výpočetních systémů elektronickými prvky, obvody, celky, deskami apod. Histogram grafické znázornění rozložení četnosti Lokomoce je souhrn technický prostředků určených po přemísťování objektu z místa na místo. Machineware je mechanická část konstrukce technický objektů. Mobilita je schopnost přemístění, pohyblivost Morfologie nauka o strukturách, vnějších a vnitřních tvarech ve stavbě organismu. V oblasti techniky se morfologie chápe jako uspořádaná metoda na pozorování předmětů (objektů), jejímž výsledkem je systematická perspektiva možných řešení daného problému. Optický senzor senzory citlivé na zářivou energii v oblasti vlnových délek 380 až 760 nm. Pracovní prostor je pomyslnými hranicemi omezený prostor působení robotu. Robot počítačem řízený integrovaný systém, schopný autonomní cílově orientované iterace s reálným prostředím v souladu s instrukcemi člověka Senzor prvek, na který působí snímaná veličina, a který získanou informaci převádí na elektrický signál. Snímač vhodně uspořádaná množina čidel Software programové vybavení určené pro činnost výpočetního pohybového ústrojí robotu. Stupeň volnosti stupeň volnosti kinematického řetěze pohybového ústrojí robota. Systém uspořádaná množina (soubor prvků) předmětů (např. technických objektů), jevů, dějů, poznatků aj., které mezi sebou souvisí přesně vymezeným způsobem, mající vzájemnou interaktivní vazbu (aktivně na sebe působí) a vytváření jednotný celek (soustavu). 5

6 Taktilní senzor senzor, který snímá požadovanou veličinu na základě fyzického dotyku s předmětem. Učení robota programování pracovního cyklu robota převedením požadovaných pohybů koncového členu robota operátorem a přenesení parametrů tohoto pohybu do řídícího systému. Ultrazvukový senzor senzor, který využívá pro svou činnost šíření tlakových ultrazvukových vln. Vizuální senzor senzor, který využívá pro svou činnost šíření tlakových ultrazvukových vln. Vnější senzorika zajišťuje sledování vnějšího stavu robotického systému (např.: lokalizace předmětů, popis vlastností předmětů, zjištění polohy a orientace předmětů apod.) Vnitřní senzorika zajišťuje sledování vnitřního stavu robotického systému (např.: údaje o poloze, rychlosti, zrychlení přenášeném výkonu, kroutícím momentu, silovém působení). 2.2 Rozdělení manipulačních zařízení Podle funkčního určení, stupně řízení a složitosti provedení dělí se manipulační zařízení takto: MANIPULAČNÍ ZAŘÍZENÍ JEDNOÚČELOVÉ MANIPULÁTORY UNIVERSÁLNÍ MANIPULÁTORY SYNCHRONÍ MANIPULÁTORY PROGRAMOVATELNÉ MANIPULÁTORY MANIPULÁTORY S PEVNÝM PROGRAMEM PR NIŽŠÍ ÚROVNĚ 1. GENERACE MANIPULÁTORY S PROMĚNLIVÝM PROGRAMEM PR VYŠŠÍ ÚROVNĚ 2. GENERACE KOGNITIVNÍ ROBOTY INTELIGENTNÍ ROBOTY 3. GENERACE 6

7 2.3 Významní výrobci PRaM 2.4 Světoví výrobci ABB Robotics, Vasteras, Sweden KUKA Schweisanlangen + Roboter, Augsburg, Germany REIS Maschinenbau + Elektronik, Obernburg, G. Carl CLOOS Schweistechnik, Haiger, G. ESAB-MASING, Dietzenbach, G. DETE Spritz+Lackierszsteme, Nurnberg, G. ISOTEC Antriebs, Linear+Systemtechnik, Tulln-Staasdorf, Austria IGM Robotersysteme, Wiener Neudorf, Austria CIMCORP Oy, Ulvila, Finland NOKIA Robotics, Helsinki, Finland GEC Robot Systems, Rugby, GB ESHED Robotec, Princeton, USA MOTOMAN Series, Tokyo, Japan KAWASAKI Robots, Tokyo, J. TIESSE ROBOT, Visano, Italy STIMA Systemi Robotizzati Castelone, I. SYSTEM ROBOT, Orzunuovi, I. 2.5 Přehled PRaM vyráběných v ČR (ČSFR, ČSSR) VUKOV Prešov MX 001 A MPH 1, MPH 1 A PR 16 P, výroba předána do ZPA Prešov jako PR 16 P/A PR 16 P/4 PR 32 E, výroba předána do ZEZ Hořice APR 20 APR 2,5 APR 40, výroba předána do ZEZ Hořice AM 1 T, výroba předána do ZPA Prešov jako PM 1 P AM 5, výroba předána do ZPA Prešov AM 20 UM160 MTL 10 M 40, výroba předána do BAZ Bratislava jako M 40 A AM 80 MPR 80 AME 80 M 63 PR 30 AZT + řídící systémy, koncové efektory, periferní zařízení, konstrukční prvky PRaM VIHORLAT Snina MTL 10 OVL 400 DLM 301, 311 M M M M M

8 KOVOPOL Police nad Metují MP 02 TESLA Lanškroun LT OC TOS Kuřim MSS 20, 63 FM 200 BAZ Bratislav M 40 A/1200 M 40 A/800 ZŤS Košice THM 500 Třinecké železárny Třinec ROMAN 01, 02, 03 ČVUT Praha PR 20 VUT Brno PRKM 20 Vývoj typové řady APR 01, 02, mobilní roboty: MOBIL I, II a VUTBOT 1 VUT Brno + VÚSH Brno PRM 400 VŠT Košice + ZVL P. Bystrica HYMR 50 ZPA Dukla Prešov AM 1 T, resp. PM 1 P PR 16 P/A AM 5 ZTS Detva (Podpolianske Strojárne) OJ 10 + robotizovaná pracoviště OJ 10 RS, CP, EP PR 300 ŠR 1 Miro OJ 10 M + robotizované pracoviště RZK 2 PR 111 ZTS Martin M 63 + robotizovaná pracoviště AZP 7 RL 2, PPO 1 ADV SAM Myjava SPR 5 SPR 10, resp. IRIS 14 IQM Zvolen SLR 1500 ČZM Strakonice PROB 5, 10, 20 MAS.- Kovosvit Sezimovo Ústí IPR 1 8 ZEZ Hořice APR 40 PR 32 E 8

9 3 Základní typy konstrukčního uspořádání PRaM V současné době se konstrukce ustálila na třech typech PRaM: Jednoúčelová koncepce Stavebnicová koncepce Univerzální koncepce Nelze preferovat jednu koncepci před druhou, protože každá z nich má své klady i zápory. Jednoúčelová koncepce se užívá většinou jako trvalá součást stroje pracujícího ve velkosériové výrobě. Na obrázku je zachyceno konstrukční uspořádání PRaM vyráběných v současné době, kam bude většinou patřit universální koncepce a více či méně stavebnicová koncepce. obr. 2: Stavebnicová koncepce obr. 3: Universální koncepce 9

10 obr. 4: Konstrukční uspořádání PRaM a) Lokomoční s výsuvným ramenem b) Stojanová s výsuvným ramenem c) Konzolové s výsuvným ramenem d) Mostové s výsuvným ramenem e) Portálové s výsuvným ramenem f) Kloubová s výsuvným ramenem g) Portálové-kloubové s výsuvným ramenem h) Kloubové i) Konzolové-kloubové j) Mostové-kloubové k) Portálové-kloubové 10

11 4 Mechanika PRaM Základem stavby robotů a manipulátorů jsou mechanismy, tj. mechanická zařízení, která slouží k transformaci pohybu a přenosu sil a zajišťují přemisťování objektů (předmětů, nástrojů apod.) určitým způsobem, vyplývajícím z požadované funkce systému. Touto funkci je např. technologie daného výrobního procesu. V této kapitole se stručně zmíníme o kinematické struktuře a základních vlastnostech těchto mechanismů a uvedeme principy jejich kinematického a dynamického řešení. 4.1 Kinematická struktura mechanismů robotů a manipulátorů Mechanismy robotů a manipulátorů jsou tvořeny soustavou navzájem pohyblivě spojených členů, z nichž jeden se nepohybuje a tvoří rám. Tyto mechanismy jsou odvozeny z otevřených prostorových kinematických řetězců. Obsahují binární členy, které jsou spolu vázány prostřednictvím prostorových kinematických dvojic. Přehled těchto dvojic je uveden v tab Vzájemná pohyblivost členů a, b tvořících kinematickou dvojici, je charakterizována počtem stupňů volnosti a shoduje se s počtem nezávislých jednoduchých pohybů (posuvů a rotací), jež mohou oba členy vůči sobě vykonávat. Šroubová kinematická dvojice má 1 volnosti, neboť rotační a posuvný pohyb jsou zde vzájemně závislé. Dvojici, která relativnímu pohybu dvou volných těles v prostoru odebírá j stupňů volnosti, nazýváme dvojicí j té třídy. Jelikož volné těleso v prostoru má 6 volnosti, platí zřejmě pro každou prostorovou kinematickou dvojici j = 6 i a celkový počet stupňů volnosti (pohyblivost) mechanismu (kinematického řetězu) je dán obecně vztahem i = 6 kde n je celkový počet členů včetně rámu d j je počet kinematických dvojic j té třídy. ( n 1) 5 jd j j = 1 11

12 Název Pohyblivost b:a (počet stupňů volnosti i) Schéma Symbol Třída (j) rotační R posuvná 1 º P 5 šroubová H valivá V válcová 2 º C 4 sférická rovinná 3 º S F 3 válec na rovině 4 º 2 obecná 5 º O 1 tabulka 1 12

13 V kinematických řetězcích robotů a manipulátorů se vzhledem ke snadné technické realizaci nejčastěji používají rotační a posuvné kinematické dvojice. Všechny kinematické dvojice jsou hnací, tj. relativní pohyby členů a, b (tabulka 1) jsou realizovány použitím nezávislých pohonných jednotek. Počet těchto jednotek odpovídá počtu nezávislých souřadnic výsledné polohy pracovního (výstupního) členu mechanismu (chapadla, technologické hlavice) a je dán počtem mechanismu (chapadla, technologické hlavice) a je dán počtem stupňů volnosti podle vztahu (obr. 5). Z toho vyplývá, že vhodnou volbou množství a uspořádání kinematických dvojic lze dosáhnout libovolných požadovaných pohybů pracovního členu v prostoru. obr. 5 Libovolná poloha manipulovaného objektu v prostoru je obecně určena šesti souřadnicemi: tři z nich určují polohu těžiště S objektu v pevném souřadnicovém systému O,x,y,z, další tři pak orientaci, tj. natočení objektu vzhledem k osám souřadnicového systému S,x,y,z, který je unášen spolu s objektem a jeho osy jsou rovnoběžné s osami pevného souřadnicového systému (obr. 5). V souladu s tím nazýváme odpovídající kinematické dvojice polohovací a orientační a příslušné části celkového kinematického řetězce polohovací a orientující ústrojí. Obecný prostorový pohyb pracovního členu lze tedy realizovat zákonitě pomocí kinematických řetězců s 6 volnosti. Na obr. 6 a) je uveden jako příklad robot KUKA, který je z tohoto řetězce odvozen. Jeho mechanismus, schematicky znázorněný na obr. 6 b), obsahuje 6 rotačních kinematických dvojic. obr. 6 Roboty a manipulátory s více než 6 volnosti bývají konstruovány pro účely manipulace v těžko přístupných prostorech. Jako příklad je uvedeno schéma kinematického řetězce s 8 volnosti na obr. 7. Řetězec obsahuje 5 dvojic rotačních a 3 posuvné. 13

14 obr. 7 Univerzální typy robotů mají tedy 6 a více stupňů volnosti. Je ovšem třeba zdůraznit, že zvyšováním pohyblivosti se komplikuje konstrukční provedení, zvyšují se výrobní náklady a tím i cena robotu, snižuje se jeho přesnost a nosnost. V konstrukci průmyslových robotů se proto projevuje snaha omezovat počet stupňů volnosti podle konkrétních podmínek, vyplývajících z požadované funkce a provedení robotu (manipulátoru). Mezi hlavní hlediska při volbě kinematické struktury robotů a manipulátorů náleží: požadovaná dráha těžiště manipulátorů objektu, přesnost polohování při přemisťování těžiště objektu, orientace objektu vzhledem k unášenému souřadnicovému systému, pohony, pohybové jednotky a jejich konstrukční provedení, vazba robotů a manipulátorů na jiné manipulační a pomocné mechanismy. Nyní následuje stručné pojednání o jednotlivých kritériích Dráha těžiště S manipulovaného objektu Pohyb těžiště bývá požadován po některé z následujících křivek: a) po přímce, b) po kružnici, c) po obecné rovinné křivce, d) po obecné prostorové křivce. Případy a) až c) jsou schematicky znázorněny v tabulka 2. U každého je též vyznačena pohyblivost. V případě a) bude polohovací ústrojí kinematického řetězce obsahovat jednu nebo několik posuvných kinematických dvojic (při větším počtu dvojic lze zvýšit zdvihový rozsah mechanismu, tj. prodloužit dráhu těžiště). V případě b) obsahuje polohovací ústrojí kinematického řetězce jednu, příp. více rotačních kinematických dvojic se společnou osou. Případ c) může být realizován buď dvěma posuvnými dvojicemi, nebo jednou posuvnou a jednou rotační dvojicí, příp. dvěma nebo více rotačními dvojicemi se vzájemně rovnoběžnými osami rotace. Polohovací ústrojí podle případu d) lze uskutečnit různými kombinacemi: tří posuvných kinematických dvojic, dvou posuvných a jedné rotační dvojice, dvou rotačních a jedné posuvné dvojice, tří rotačních dvojic. 14

15 tabulka 2 Posuvné a rotační pohyby v kinematických dvojicích mohou být přitom realizovány ve vztahu k osám x, y, z souřadnicového systému, jak schematicky znázorňuje obr. 8, tj. jako tři nezávisle posuvné pohyby ve směru os x, y, z (označení X, Y, Z) a tři nezávisle rotační pohyby kolem os x, y, z (označení A, B, C). obr. 8 15

16 Příklady těchto řetězců spolu s vyznačením pořadí kinematických dvojic a charakteru pohybů viz tabulka 3. Všechny řetězce mají 3 volnosti. tabulka 3 Každému z uvedených osmi typů kinematických řetězců odpovídá 3 3 = 27 možností konkrétních uspořádání podle polohy os posuvných a rotačních pohybů. Celkový počet matematicky možných kinematických řetězců je tedy 8 x 27 = 216. Z nich však 87 realizuje rovinné přemístění (při zvláštních vzájemných polohách os otáčení a posuvu). Pro realizaci přemístění těžiště objektu po obecné prostorové křivce tedy existuje celkem 129 teoreticky možných variant prostorových polohovacích ústrojí se 3 volnosti. Podrobnostmi se zde však z důvodů jiné vhodnější a dostupné literatury nebudeme zabývat. obr. 9 Rozdíl mezi jednotlivými variantami bude spočívat v míře obtížnosti při jejich technické realizaci, ve vnějších rozměrech a uspořádání, přesnosti polohování a ve tvaru operačního prostoru, v němž se bude pracovní člen (chapadlo, technologická hlavice) pohybovat. Pojednejme na tomto místě stručně o pracovních prostorech základních typů robotů a manipulátorů. Jejich polohovací ústrojí viz tabulka 3. Jsou tvořena kinematickými řetězci PPP, RPP, RRP a RRR. U provedení PPP je pracovním prostorem robotu hranol obr. 9 a). Typickým představitelem je např. MANTA. U provedení RPP je pracovním prostorem válcový segment obr. 9 b). Typickými představiteli jsou např. VERSATRAN (Velká Británie), UM 1 (SSSR), PR 16 (ČSSR). Varianta RRP umožňuje manipulaci v prostoru 16

17 kulového segmentu (obr. 10). Typickými představiteli jsou např. UNIMATE (USA), ROBITUS (Japonsko). Provedení RRR je charakteristické pracovním prostorem, připomínajícím anuloid (obr. 11). Typickými představiteli jsou např. CINCINNATI (USA), ASEA (Švédsko), PR 32 (ČSSR). obr. 10 Polohu těžiště objektu vyjadřujeme v souřadnicových systémech: pravoúhlém (kartézském), válcovém (cylindrickém), sférickém. obr. 11 Pravoúhlých souřadnic používáme u řetězců s výhradně posuvnými kinematickými dvojicemi (PPP), válcových a sférických souřadnic u řetězců, které obsahují rotační kinematické dvojice. V našem případě použijeme u struktury RPP válcových souřadnic a u struktur RRP a RRR sférických souřadnic. Poněvadž pravoúhlý souřadnicový systém pokládáme za základní, provádíme při konkrétních řešeních transformací válcových a sférických souřadnic těžiště na pravoúhlé souřadnice. 17

18 x = 1 4 y = s z = 1 x = y = 3 z = s Pro pravoúhlé souřadnice těžiště objektu platí přímo (viz obr. 4.5): 21 + s, + s 43 32,. (4.2) Válcové souřadnice ϕ, s, s transformujeme podle vztahů (obr. 4.6): ( 1 + s ) 4 43 ( 1 + s ) cosϕ, 21 sinϕ, 21 U struktury RRP transformujeme sférické souřadnice, 21 (obr. 4.7): x = y = z = ( 1 + s ) cos cos 4 43 ϕ32 ( 1 + s ) cosϕ sin ( 1 + s ) sinϕ ϕ, 21 ϕ, 21 (4.3) ϕ 32, s43 ϕ podle vztahů (4.4) Sférické souřadniceϕ, ϕ, ϕ struktury RRR budou transformovány rovnicemi (obr. 4.8): x = y = z = [( 1 1 cos ) cos 1 sin sin ] 3 4 ϕ43 ϕ ϕ32 ϕ43 [( 1 1 cosϕ ) cosϕ + 1 sinϕ sinϕ ] ( 1 1 cosϕ ) sinϕ 1 sinϕ cosϕ, cosϕ, 21 sinϕ, (4.5) Je zřejmé, že tvar pracovního prostoru robotů a manipulátorů souvisí s charakterem použitého souřadnicového systému. Hovoříme proto někdy o pracovních prostorech typu K (kartézský), C (cylindrický) a S (sférický). Výrobci robotů uvádějí rozměrové náčrty pracovních prostorů ve své firemní literatuře a v prospektových nabídkách. 4.2 Kinematická a dynamická analýza mechanismů robotů a manipulátorů Předpokladem úspěšnosti řešení vícečlenných prostorových kinematických řetězců je použití vhodného matematického aparátu, který umožní jednoduchou a pokud možno univerzální formulaci pohybových zákonů. Tomuto požadavku nevyhovují metody, používané běžně při analýze rovinných mechanismů (trigonometrická metoda, metoda komplexních čísel, vektorová metoda atd.). Jako vhodná se ukazuje maticová metoda, která je dostatečně obecná, snadno algoritmizovatelná a aplikovatelná na prostředcích moderní výpočetní techniky. Podstatou vlastního kinematického řešení je teorie součastných pohybů, získávající v matematické formulaci přehlednou podobu pro transformaci polohy, rychlosti a zrychlení. V textu budeme často užívat maticového zápisu pro vektorový součin dvou vektorů. Vektorový součin vektorů 21 18

19 a ( a, a, a ), b ( b, b, b ) je jak známo vektor c ( ab ab, ab ab, ab ab) , který lze také vyjádřit jako součin polosouměrné singulární matice A a sloupcového vektoru b, kde prvky matice A jsou tvořeny vhodně uspořádanými složkami vektoru a 0 a3 a2 A = a3 0 a 1 a2 a1 0 19

20 5 Konstrukce PRaM VUT v Brně, FSI, ÚVSSR 5.1 Aspekty pro posuzování PRaM Technická kriteria: morfologie počet stupňů a hmotnost velikost obsluhovaného (pracovního) prostoru hmotnost manipulovaného břemene rychlosti pohybů dosažitelná přesnost polohování opakovatelná přesnost polohování způsob a druh pohonů způsob odměřování vnitřních a vnějších stavových veličin způsob vnímání vnějšího okolí (technologické scény) způsob řízení a komunikace s okolím autonomnost chování 5.2 Průmyslový robot jako soustava konstrukčních celků a prvků Každý technický objekt, tedy i průmyslový robot nebo manipulátor (PRaM) je soustava (systém) tvořená jednotlivými prvky. Tyto prvky souvisí mezi sebou přesně vymezeným způsobem a vzájemně na sebe aktivně působí (tj. interaktivní vazba) a ovlivňují se. Proto lze PRaM jako systém rozdělit na subsystémy hlavních částí dle obr. 12. Lokomoční ustrojení Polohovací ustrojení Robot Mechanická část Řídící část Orientační ustrojení Koncový efektor Řízení činnosti Senzory vnitřní Senzory vnější Machimeware Software a Hardware obr. 12: Hlavní části PRaM Mechanická část: Lokomoční ustrojí slouží pro přemístění robotu v prostoru na velké vzdálenosti (řádově v m) i u stacionárních robotů, nebo zajišťuje pohyb v nevázaném stupni volnosti u mobilních robotů. Polohování a orientační ustrojí je fyzicky realizováno jako rameno robotu se zápěstím. Může mít (1 až n) stupňů volnosti, realizovaných pomocí rotačních a translačních kinematických dvojic. Obvykle má polohovací a orientační ústrojí st. volnosti. Koncový efektor je realizován v podobě technologické nebo úchopné výstupní hlavici robotu. 20

21 Řídící část: Řízení činnosti je zajištěno elektronickými řídícími systémy různých generací, založenými standardně na bázi mikroprocesorů. ŘS slouží pro vytváření, zapamatování, reprodukci a vykonávání programu jako posloupností, ovládající činnost robotu. Vnitřní a vnější senzory tvoří vnímací subsystém robotu. Vnitřní senzory informují ŘS o vnitřním stavu robotu (tj. údaje o poloze, rychlosti, zrychlení, přenášeném výkonu, kroutícím momentu a silovém působení členů kinematického řetězce polohovacího a orientačního ústrojí a koncového ústrojí v prostoru apod.). Kinematické schéma PRaM typu T (RRR) se 6 st. volnosti je na obr. 13. LÚ lokomoční ústrojí ZKŘ základní kinematický řetězec OÚ orientační ústrojí obr. 13: Kinematické schéma robotu Poznámka autora studijní opory: tyto studijní materiály se zaměřují zejména na konstrukci mechanické části (Machineware) PRaM. Na obr. 14 je schématicky znázorněn PRaM jako soustavu konstrukčních celků, uzlů a prvků. V konstrukčním provedení robotů se používají obdobné mechanické (resp. elektromechanické) uzly a skupiny, s jakými se setkáváme v konstrukcích ostatních strojních zařízení. Jsou to např. různé typy spojek, brzd, ložisek, vedení. V konstrukci výkonných mechanismů PRaM se prakticky setkáváme se všemi známými druhy převodů. Zvláštní část představují pohony a jejich řízení. Výše uvedené prvky PRaM včetně způsobů vymezení vůlí v převodech, vyvození translačních a rotačních pohybů, mazání a namáhání strojních částí, jsou popsány v následujících kapitolách. 21

22 obr. 14: Základní konstrukční celky a uzly PRaM 22

23 5.2.1 Konstrukce průmyslového robotu OJ 10 RS VUT v Brně, FSI, ÚVSSR Technické parametry robotu OJ 10 RS Maximální nosnost včetně technologické hlavice při vzdálenosti těžiště zatěžující hmotnosti od osy naklápění orientačního mechanismu 200 mm 10 kg Pro jiné vyložení je nutné vypočítat zatížení orientačního mechanismu podle následujících údajů: Maximální moment robota 0,78 kgm2 Maximální statický moment 19,62 Nm Počet stupňů volnosti 5 (6) Rozsahy pohybů: Rotace základu robota 260 Rotace spodního ramene ± 40 Rotace horního ramene 300 Maximální výsun koncového člene orientačního 900 mm mechanismu ve vodorovné rovině Orientační mechanismus: I. rotace ± 115 II. rotace ± 305 Hmotnost robota 295 kg Nepřesnost polohování ± 0,1 mm Krytí IP 43 Maximální okamžité rychlosti 1 : Rychlost rotace základu 1,3 rad s-1(75 s-1) Rychlost koncového bodu orientačního mechanismu: vodorovná 0,8 m.s-1 vertikální 1,0 m.s-1 Orientační mechanismus: Rychlost pohybu I. rotace 2,19 rad.s -1 (125,54.s -1 ) Rychlost pohybu II. rotace 3,285 rad.s -1 (188,3.s -1 ) Pracovní rychlosti 0,1 mm.s-1 99 mm.s-1 Pohonné jednotky: Motory pro pohyb: ramen SRD 350 (In-7,4 A; Un-62 V) orientačního mechanismu SRD 80 (In-13,6 A; Un-15,5 V) točnice základu SRD 350 Převodovky pro motory: ramen HP I-2 orientačního mechanismu HP I/II-2 točnice základu HP I-3-DK Použité oleje v převodovkách OT H3P, OT-T2 A Instalovaný výkon motorů průmyslového robota 1250 W Střední technický život do vyřazení a převodu hodin Pracovní poloha: robot postavený na rovině s max. odchylkou od vodorovné roviny 3 robot zavěšený na portálovém nosníku v převedení OJ-10 RZ 1 Max. doba chodu OJ 10 RS při max. rychlostech nesmí přesáhnout 20 % z celkové doby chodu. 23

24 Pracovní prostředí: teplota okolo min. +5, max. 40 max. relativní vlhkost vzduchu 80 % atmosférický tlak min. 86 kpa prašnost velikost částic 3 m 1 mm množství 200 mg.m-3 druh prostředí obyčejné ČSN čl druh klimatického převedení N 32 ČSN Odolnost vůči mechanickému kmitání: frekvence 25 Hz amplituda ±0,2 mm rázy 4 g Dosahované parametry a připojovací rozměry jsou zobrazené na obr. 15. Průmyslový robot může pracovat po výměně vyvažovací jednotky i v zavěšené poloze, např. na portálu. 24

25 obr. 15: Dosahované parametry průmyslového robotu OJ 10 25

26 Ovládání pohybu robotu OJ 10 26

27 Rotační jednotka (točna základu) Legenda 1. Diskový elektromotor 2. Harmonická převodovka 3. Speciální velkorozměrové ložisko 4. Otočná část rotační jednotky 5. Stojan rotační jednotky 6. Tachodynamo 7. Selsyn VUT v Brně, FSI, ÚVSSR 27

28 Schéma pohonů ramen VUT v Brně, FSI, ÚVSSR Schéma pohonů zápěstí 28

29 Pohonná jednotka orientačního mechanizmu Legenda 1. Diskový motor 2. Harmonická převodovka 3. Snímač polohy (selsyn) 4. Snímač rychlosti (tachodynamo) 5. Svorkovnice 6. Výstupní hřídel VUT v Brně, FSI, ÚVSSR 29

30 Konstrukce horního ramena Legenda: 1. Pohonné jednotky orientačního mechanismu 2. Protizávaží 3. Orientační mechanismus 4. Těleso horního ramene 5. Snímatelný kryt 6. Koncový člen orientačního mechanismu 7. Dvojdílný kryt VUT v Brně, FSI, ÚVSSR 8. Dvoupolohový doraz 9. Řetěze 10. Napínací mechanismus řetěze 11. Táhlo s řetězem 12. Víko levé 13. Víko pravé 14. Otvor pro připojení spodního ramene 30

31 Konstrukce spodního ramena Legenda: 1. Kozlík 2. Spojovací hřídel 3. Dilatační spojka 4. Pohonná jednotka spodního ramene 5. Pohonná jednotka horního ramene 6. Hřídel náhonu horního ramene 7. Převod ozubenými koleskami 8. Kryt drátů 9. Rotační jednotka VUT v Brně, FSI, ÚVSSR 10. Skříň pohonu 11. Rameno 12. Diskový motor 13. Harmonická převodovka 14. Matice 15. Pojistná matice 16. Matice 17. Matice 31

32 Vyvažování ramen Legenda: 1. Konzola 2. Válec 3. Pružina 4. Spodní rameno 5. Kozlík 32

33 6 Základní konstrukční prvky stavby PRaM 6.1 Pohony PRaM VUT v Brně, FSI, ÚVSSR Definice a klasifikace pohonu Obecně je pohon soustavou, přeměňující vstupní energii na výstupní, tj. mechanický pohyb (rotační, translační) a jeho přenos na pohyblivou část mechanismu, plnicího požadovanou funkcí. V konstrukční praxi jsou užívány různé druhy pohonů, nejčastěji rozdělované dle následujících hledisek: a) dle použitého média: elektrické o stejnosměrné (DC) o střídavé (AC) tekutinové o hydraulické o pneumatické kombinované b) dle regulované výstupní mechanické veličiny (n, M k ): s regulací bez regulace bez regulace c) dle počtu použitých spotřebičů energie: jednomotorový vícemotorový d) dle charakteru trajektorie mechanického pohybu: rotační (kyvný) přímočarý obecný (rovinný, prostorový pohyb) e) dle použití k pohonu části Aram: polohovacího ústrojí orientačního ústrojí koncových efektorů lokomočního ústrojí f) dle typu transformace vstupního pohybu na výstupní: identická transformace (R R) neidentická transformace (R T, T R), kde: R = rotační pohyb, T = translační pohyb 33