Mechatronika Modul 10: Robotika

Mechatronika Modul 10: Robotika Učebnice Cvičebnice Řešení (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: wzm@mb.tu-chemnitz.de Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch www.minos-mechatronic.eu

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

OBSAH Robotika Učebnice Minos ++ 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

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

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 (1452-1519). 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

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

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 Humanoidní roboty Piano player Prof.Ichiro Kató UNIVERSITY of WASEDA, Tokyo Biorobotické (protetické) aplikace Způsob řízení: MASTER SLAVE HONDA Stavebnictví, zemědělství, textilní prům., sklářství a j. Nestrojírenské aplikace FANUC Způsob řízení: NC Numerical Control XX/XXI. století Japonská automatizovaná továrna 50-60. léta XX.století 1921: K.Čapek: R.U.R. robot (Rosum`s Universal Robots) 1580: GOLEM Rabbi Jehuda Löw ben Becael (Staré Město Pražské) Průmyslový robot (ABB) XV/XVI. století Francouzský kopírovací soustruh se šlapacím pohonem z XVI.stol. XVIII/XIX. století (James Watt 1736-1819) zdokonalil parní stroj Leonardo da Vinci (1452-1519) různé pohony a technická zdokonalení, m.j.válečková ložiska, lanové převody, vrtule Obr. 1-3 Nástin vývoje výrobních strojů a robotů 3

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

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

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) B r - referenční bod A 0, B 0, C 0 - orientační ústrojí (jedno z možných uspořádání) Poznámka: X, Y, Z - souřadnice translačního pohybu A, B, C - souřadnice rotací kolem os x, y, z A 0, B 0, C 0 - souřadnice rotací orientačního ústrojí 6

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) po delším vedení se posouvá kratší těleso - tzv. suportové, či saňové provedení (viz Obr. 2-2a) b) v kratším vedení se posouvá delší těleso - tzv. smykadlové provedení (viz Obr. 2-2b) c) 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

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. Spojení tří translačních KD: T T T 2. Spojení jedné rotační a dvou translačních KD: R T T 3. Spojení dvou rotačních a jedné translační KD: R R T 4. Spojení tří rotačních KD: R R R Shodou okolností má struktura těchto čtyř základních spojení charakter postupného nahrazování translací rotacemi a výsledný obsluhovaný prostor je v těchto čtyřech případech: 1. Kvádr (pravoúhlý, kartézský pracovní prostor) 2. Válcový (cylindrický) segment 3. Kulový (sférický) segment 4. 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

Přehled o pracovních prostorech, daných základním spojením tří kinematických dvojic dává Obr. 2-5 a-d. Obr. 2-5 Znázornění pracovních prostorů základních typů průmyslových robotů: a. Kartézký (pravoúhlý) pracovní prostor (TYP K ) b. Cylindrický (válcový) pracovní prostor (TYP C ) c. Sférický (kulový) pracovní prostor (TYP S ) d. Multiúhlový (anthropomorfní, torusový, angulární) pracovní prostor (TYP A ) Další praxe a sledování rozvoje robotů ukázaly, že se vyskytují průmyslové roboty i o jiné struktuře spojení kinematických dvojic, než odpovídají základním pracovním prostorům, jako na příklad u průmyslového robotu "UM-160", jehož strukturu ZKŘ je možno podle Obr. 2-5 vyjádřit spojením kinematických dvojic TRR, podobně jako u robotů RENAULT Horizontal Type či PROB-5. Takové kinematické struktury průmyslových robotů nazýváme strukturami odvozenými. a) b) b) Obr. 2-6 Metamorfóza struktur průmyslové roboty koncipovaných ve spojení TRR a. Schéma a nákres průmyslového robotu UM-160 (RUS) b. Schéma a nákres průmyslového robotu PROB-5 (CZ) kde: X,Z. pojezdy kolem os x,z; A, A, C, C rotace kolem os x, z; B r referenční bod Praxe tedy potvrdila teorii, která pro n-stupňů volnosti stanovuje počet možných spojení kinematických dvojic T a R: m = 2n....(2.1) kde n je číslo přirozené. Pro praktický a běžný počet stupňů volnosti n = 3 se základní počet spojení rozšiřuje na celkem m = 23 = 8 skupin podle tabulky č.2.1: 9

Tabulka č.2.1: Základní a odvozená spojení KD Toto schéma již zmíněnou strukturu robotů z obr. 2.6 obsahuje (TRR) a je tedy možno hovořit o odvozené struktuře základního kinematického řetězce tohoto robotu z titulu spojení jeho kinematických dvojic. Na rozdíl od příkladu struktury průmyslového robotu na obr. 2.6 vyjadřuje sice strukturu základního kinematického řetězce průmyslových robotů typu SCARA (GEC ROBOTS BODY, BOSCH SR-800) základní spojení RTT, avšak rozdíl od nejrozšířenějšího základního uspořádání průmyslových robotů tohoto typu spojení se sférickým pracovním prostorem (na příklad UNIMATE) je zřejmý z Obr. 2-7. Obr. 2-7 Metamorfóza typů průmyslových robotů různým uspořádáním KD ve spojení RRT a. Schéma a nákres průmyslového robotu UNIMATE (CBY) b. Schéma a nákres průmyslového robotu typu SCARA (CC'Z) Odlišit strukturu CC'Z základního kinematického řetězce uvedeného průmyslového robotu typu SCARA od struktury CBY základního typu ve spojení RRT (na př.unimate) z titulu analysy pouze spojení kinematických dvojic však nelze, přesto, že jde o zařízení navzájem značně rozdílná. Různým uspořádáním kinematických dvojic došlo totiž v tomto spojení k metamorfóze sférického typu na typ cylindrický. Podobně je tomu i u struktur koncipovaných ve spojení TRR na obr. 2.6. Jde totiž o to, že každá z kinematických dvojic, používaných v základním kinematickém řetězci, může být situována v jednom ze tří různých směrů, daných kartézským souřadnicovým systémem x,y,z a to: translace (T) ve směru souřadnic X,Y,Z, rotace (R) kolem těchto souřadnic A,B,C, čímž v rámci jednotlivých spojení vznikají dále různá možná uspořádání, na př.tx,ty,tz (X,Y,Z) na rozdíl od Tx,Tz,Ty (X,Z,Y) a pod. Takových různých uspořádání pro počet stupňů volnosti n = 3 je teoreticky w3teor = 165, prakticky se jich využívá cca w3prakt = 13. Spojení a uspořádání KD základního kinematického řetězce (polohovacího ústrojí) má zásadní význam při posuzování morfologie určitého konkrétního průmyslového robotu a je tedy i třídícím kriteriem pro jeho zařazení mezi základní či odvozené typy (viz kapitola 2.2). 10

Orientační ústrojí Na představených různých typech průmyslových robotů je možno si povšimnout m.j., že polohovací ústrojí jakéhokoliv typu souřadnicového systému PRaM dopraví při třech stupních volnosti referenční bod "B" do požadovaného místa obsluhovaného prostoru. Aby uchopený a manipulovaný předmět byl dále patřičně orientován, je nutné použít orientačního ústrojí. Toto ústrojí prakticky nemá zásadní vliv na architekturu daného robotu, kterou zásadně určuje jeho polohovací ústrojí. Orientační ústrojí je pouze jeho doplněním pro umožnění dosažení nejen polohy předmětu, ale i jeho jednoznačné orientace. Teoreticky by tedy struktura kinematického řetězce PRaM měla mít (pro základní spojení KD) charakter podle tabulky č.2.2: Tabulka č.2.2 3 : Nesprávné použití KD v orientačním ústrojí Polohovací ústrojí Orientační ústrojí Vyhodnocení TTT RRR RTT TRR - NE! RRT TTR - NE! RRR TTT - NE! Přesto, že obecně je poloha tělesa v prostoru dána šesti stupni volnosti, z toho třemi translacemi a třemi rotacemi (viz obr.8.5), nelze pro manipulační účely užít těchto kombinací vždy. Pokud jsou v polohovacím ústrojí použity translace, musí být pro obecnou orientaci použito u orientačního ústrojí rotací. Pokud jsou však v polohovacím ústrojí rotace, musí orientační ústrojí, jako součást kinematického řetězce průmyslového robotu obsahovat rovněž rotační kinematické dvojice, aby bylo možno těleso zpětně orientovat do původního směru po pootočení robotu. V tabulce č.2.2 je tedy správný pouze její první řádek pro spojení kinematických dvojic TTT. Správná struktura kinematického řetězce PRaM musí odpovídat tabulce č.2.3: Tabulka č.2.3: Správné použití KD v orientačním ústrojí Polohovací ústrojí TTT RTT RRT RRR Orientační ústrojí RR(R) RR(R) RR(R) RR(R) Je tedy možno říci, že orientační ústrojí PRaM je nutno konstruovat převážně z rotačních kinematických dvojic. Výjimky mohou být dány speciální konkrétní potřebou. Orientační ústrojí PRaM může mít obecně libovolný počet stupňů volnosti, který se připočítává k počtu stupňů volnosti polohovacího ústrojí a tvoří tak dohromady počet stupňů volnosti průmyslového robotu. Použití třetí rotace však předmět v podstatě orientuje pouze v ose otáčení této kinematické dvojice, což nebývá vždy (zejména u běžných rotačních součástí) zapotřebí. Často jsou tedy průmyslové roboty vybavovány pouze dvěma rotacemi v orientačním ústrojí, aby se tak eliminovalo natáčení polohovacího ústrojí a třetí otáčení v ose předmětu nebývá použito. To je v tabulce č.2.3 vyjádřeno závorkami. Použije-li se však všech tří rotačních kinematických dvojic, může být vykonávána orientace předmětu na příklad pro montáž čepu, opatřeného perem, nebo drážkováním do příslušného 3 Znázornění kinematických dvojic polohovacího ústrojí výraznějšími písmeny než orientačního ústrojí má vyjádřit jejich konstrukční odlišnost v postupném snižování robustnosti. 11

otvoru. Předpokládá se tedy umístění otáčeného předmětu v ose rotace koncové kinematické dvojice. V jiném případě může být koncová kinematická dvojice opatřena určitým ramenem, na jehož konci bývá umístěna na příklad svařovací hubice. Je zřejmé, že teorie orientačního ústrojí se bezprostředně dotýká jeho praktické stránky řešení. Z předcházející analysy vyplývá, že rotační kinematická dvojice v orientačním ústrojí může být (podobně jako v polohovacím ústrojí) provedena buď jako otočná přímo ve vlastní ose (bez dalšího rotujícího ramene), nebo s ramenem "r" (viz Obr. 2-8 Realizace kinematické dvojice rotačního ústrojí PRaM a) osové provedení b),c) s rotujícím ramenem Obr. 2-9 Dvě základní varianty uspořádání tří rotačních KD v orientačním ústrojí PraM: a) Osy první a třetí KD v základní poloze rovnoběžné, b) Osy všech tří KD na sebe kolmé ). Při tom u orientačního ústrojí je již obtížné stanovovat její příslušnost k ose x, y či z, neboť se jedná o značně pohyblivou soustavu. Vhodnější je označování rotačních kinematických dvojic v orientačním ústrojí jako ϕ1, ϕ2, ϕ3,...atd. Obr. 2-8 Realizace kinematické dvojice rotačního ústrojí PRaM a) osové provedení b),c) s rotujícím ramenem Obr. 2-9 Dvě základní varianty uspořádání tří rotačních KD v orientačním ústrojí PraM: a) Osy první a třetí KD v základní poloze rovnoběžné, b) Osy všech tří KD na sebe kolmé Obr. 2-10 Nejpoužívanější uspořádání při spojení dvou KD v orientačním ústrojí PRaM Samozřejmé je střídání směrů rotací při spojování více kinematických dvojic. Podobně jako u polohovacího ústrojí, je i v tomto případě potřebné sledovat jejich uspořádání, důsledné sledování souřadných os není tak závažné, jako u polohovacího ústrojí, neboť u orientačního ústrojí se automaticky předpokládá jeho činnost v různých pracovních polohách. Principiálně při spojení dvou rotačních kinematických dvojic u orientačního ústrojí jsou používána uspořádání dle Obr. 2-10. Při spojení tří kinematických dvojic se počet možných uspořádání dále, jako u polohovacího ústrojí, zvyšuje, avšak v praxi se ustálilo použití následujících dvou variant (vizobr. 2-9). V případě na Obr. 2-9a je třetí KD po pootočení druhé kinematické dvojice oproti první KD vychýlená. 12

Konkrétní provedení orientačních ústrojí PRaM mají úzkou návaznost na jejich stavebnicové (modulární) či nestavebnicové (integrované) konstrukční řešení. 13

2.1.3. Problematika přesnosti polohování základních typů PRaM Vůle v pohybovém ústrojí kinematické dvojice lze rozlišit na vůle základní vz a vůle vzniklé opotřebením vo. Celková vůle pohybového ústrojí kinematické dvojice po počátečním záběhu a určité funkční době je pak: vc = vz + vo = n. vz, kde n... součinitel, jehož velikost je úměrná délce doby používání dvojice. V sériovém systému řazení kinematických dvojic PRaM, z nichž každá vykazuje chybu Δi, pak výsledná chyba Δc je dána geometrickým součtem chyb jednotlivých souřadnic (Δ1, Δ2, Δ3... ). Pro tři stupně volnosti je celková chyba: Δc = Δ1 + Δ2 + Δ3. Tato celková chyba nesmí překročit hodnotu dovolené nepřesnosti v polohování (orientaci) Δc < Δc dov. U pravoúhlého souřadnicového systému (K) na Obr. 2.5a a Obr. 2-11a je chyba v jednotlivých souřadnicích: Δ x = Δ 1 = x 2 x 1 ; Δ y = Δ 2 = y 2 y 1 ; Δ z = Δ 3 = z 2 z 1 kde x 2, y 2, z 2 jsou souřadnice požadované polohy A 2 a x 1, y 1, z 1 jsou souřadnice skutečné polohy A 1 Celková chyba v systému (K) je: Δ ck = A A 1 2 = 2 2 ( x x ) + ( y y ) + ( z z ) 2 2 1 2 1 2 1...(2.2) Za zjednodušujícího předpokladu, že se chyby na jednotlivých souřadnicích rovnají: Δx = Δy = Δz = Δ, je pak výsledná chyba rovna výrazu: ΔcK = A1 A2 = 1,73 Δ. Velikost chyby není závislá, za předpokladu stejné výrobní přesnosti po celé délce pohonného prvku (např. šroubu nebo hřebene) a pro zjednodušení i stejného opotřebování, na odlehlosti výsledné polohy výstupní hlavice od počátku souřadnicového systému. U válcového systému (C) na Obr. 2.5b a Obr. 2-11b jsou souřadnice požadované polohy A 2 ( r + Δ r, ϕ z + Δϕ z, z + Δz ) a souřadnice skutečné polohy A 1 (r, ϕ z,z). Za zjednodušujícího předpokladu, že ϕ z = 0, Δz = Δr, z = 0 je výsledná chyba po dosazení do vztahu (2.2): cc 1 2 2 2 ( 1 cosδ ) ( r Δr r ) Δ = A A = 2 Δr + 2 ϕ +.(2.3) z Velikost chyby ΔcC je závislá na odlehlosti r výsledné polohy výstupní hlavice od počátku souřadnicového systému. Čím je větší odlehlost, tím větší je výsledná chyba. U sférického systému (S) na Obr. 2.5c a Obr. 2-11c jsou souřadnice bodů A 1 a A 2 vyjádřeny: A 1 ( r, ϕ z, ϕ x ), A 2 ( r + Δ r, ϕ x + Δϕ x, ϕ z + Δϕ x ). Za zjednodušujícího předpokladu, že ϕ x = 0 a ϕ z = 0 a Δϕ x = Δϕ x = Δϕ, je výsledná chyba po dosazení do vztahu (2.2): cc 1 2 2 2 2 ( r + r Δr) sin Δ + Δr Δ = A A = 2 ϕ...(2.4) Také zde, stejně jako u válcového systému, je výsledná chyba závislá na velikosti odlehlosti r výstupní hlavice od počátku souřadnicového systému, čím větší je odlehlost, tím větší je výsledná chyba. 14

a. b. c. d. Obr. 2-11 Polohování v kartézském (a), cylindrickém (b), sférickém (c) a antropomorfním (d) souřadném systému U anthropomorfního (multiúhlového) systému (A) na Obr. 2.5d jsou souřadnice požadované polohy A 2 ( R 1, ϕ x + Δϕ x, ϕ z + Δϕ z, R 2, α + Δα ) a souřadnice skutečné polohy A 1 (R 1, ϕ x, ϕ z, R 2, α ), jejichž pravoúhlé průměty jsou podle Obr. 2.10d: 1. Pro bod A 1 : x 1 = [ R 1 cos ϕ x + R 2 cos ( α - π + ϕ x ) ] cos ϕ z y 1 = [ R 1 cos ϕ x + R 2 cos ( α - π + ϕ x ) ] cos ϕ z z 1 = R 1 cos ϕ x + R 2 cos ( α - π + ϕ x ) 2. Pro bod A 2 : x 2 = cos (ϕ z + Δϕ z ) R 1 cos (ϕ x + Δϕ x ) + R 2 cos (α - π + ϕ x + Δϕ x + Δα ) y 2 = sin (ϕ z + Δϕ z ) R 1 cos (ϕ x + Δϕ x ) + R 2 cos (α - π + ϕ x + Δϕ x + Δα ) z 2 = R 1 sin (ϕ x + Δϕ x ) + R 2 sin (α - π + ϕ x + Δϕ x + Δα ) Na změnu polohy referenčního bodu Br, nacházejícího se na konci ramene R2, má v tomto případě vliv nejen změna úhlu ϕz a úhlu α, který svírá rameno R2 s ramenem R1, ale současně též změna základního úhlů ϕx, a to i bez změny úhlu ϕ. Velikost úhlu ϕ má vliv na velikost odlehlosti referenčního bodu Br od počátku souřadnicového systému, za jejíž absolutní hodnotu má současně vliv též délka ramen R1 a R2. Za zjednodušujícího předpokladu, že ϕz = 0 a ϕx = 0, který analogicky předcházejícím případům znamená pouze natočení souřadného systému tak, že osa x se ztotožní se základním otáčivým ramenem R (R1) základního kinematického systému a za dalších zjednodušujících předpokladů, že Δϕx = Δα = Δϕ, R1 = R2 = R, a konečně α = π, což znamená, že i rameno R2 leží v prodloužení ramene R1 v ose x a dochází tak k největší odlehlosti referenčního bodu Br od počátku souřadnicového systému, je výsledná celková chyba po dosazení do vztahu (2.2): Δ ca = A A 1 2 = [ R cosδϕ ( cosδϕ + cos 2Δϕ ) 2R] 2 + po úpravě: + [ R sin Δϕ ( cosδϕ + cos 2Δϕ )] 2 + [ R ( sin Δϕ + sin 2Δϕ )] 2 2 ΔcA = 2 R sin Δϕ + 0,5 sin Δϕ sin 2Δϕ 0,5 cosδϕ cos2δϕ + 0,5.(2.5) Např. pro R = 1 000 mm, Δϕ = 10, Δ = 0,1 mm vychází po dosazení do vztahů (2.2 2.5): ΔcK = 0,2 mm, ΔcC = 2,9 mm, ΔcS = 4,1 mm, ΔcA = 10,5 mm a porovnání dosažitelné přesnosti u jednotlivých systému polohování v nejnepříznivějším případě největší odlehlosti referenčního bodu Br od počátku souřadnicového systému a za předpokladu pohonu systému v otevřené vazbě vychází následovně: Δ ca = 52,5 Δ ck Δ cs = 20,5 Δ ck Δ cc = 14,5 Δ ck 15

Komplexním rozborem všech čtyř systémů polohování vychází, že při stejné výrobní přesnosti součástí kinematických dvojic, bude nejpřesnější průmyslový robot, pracující bez zpětnovazebního řízení polohy, vytvořený z posuvných jednotek v systému TTT, tj. polohujícím v kartézském souřadnicovém systému K. 2.1.4. Průmyslové roboty s paralelní kinematikou V poslední době se ve stavbě výrobních strojů, jmenovitě obráběcích center, začaly uplatňovat zajímavé konstrukce, využívající původní myšlenky uložit obráběcí nástroj na upínač (plošinu), která bude zavěšena na délkově proměnlivých a kloubově uchycených závěsech, pomocí nichž ji bude možno natáčet a různě orientovat vzhledem k obrobku. Protože těchto závěsů musí být pro určení polohy této plošiny minimálně 3 a osvědčilo se použití 6-ti závěsů, ujal se pro takovou konstrukci název HEXAPOD. Nejstarší známá konstrukce HEXAPODu, navržená V.Goghem, je známá od roku 1949, v roce 1965 popsal D.Stewart vlastnosti jednoduchého HEXAPODu a odtud pochází i dnes obecně užívaný název Stewartova plošina. Oproti strojům, dosud využívajících sériové kinematiky, tedy využívajících kombinaci rotačních a translačních pohybů, je výsledný pohyb u HEXAPODů dán simultánním řízením a kontrolou pohybu šesti (obecně však minimálně tří) kloubově zavěšených podpěr s proměnnou délkou, které Stewartovu plošinu v prostoru přestavují. Jedná se tedy o stroje s paralelní kinematickou strukturou. V letech 1970-1990 bylo vyrobeno několik modelů takových strojů, vyskytovaly se však potíže zejména v oblasti hardwarové a softwarové. Průlom v této skupině učinily dvě firmy: GEODETICS a INGERSOLL. Vedle plně paralelních kinematik strojů se šesti stupni volnosti, jako u výše uvedených HEXAPODů, bylo v rámci společného projektu BMBF DYNAMIL vyvinuto a realizováno obráběcí centrum Dyna-M s hybridní pohonovou strukturou. Tyto nové principy užití paralelní kinematické struktury neminuly v současné době ani stavbu průmyslových robotů. Na mezinárodní výstavě EMO-95 v Miláně byl firmou COMAU-Division Robotica, Torino, představen průmyslový robot TRICEPT HP 1, jehož orientační ústrojí je sice tvořeno běžnou kombinací rotačních kinematických dvojic, avšak je umístěno na přírubě, zavěšené a polohované jako Stewartova plošina pomocí tří délkově posuvných a řízených podpěr, zavěšených na kloubových závěsech v podobě otočných třmenů. Nosnou část průmyslového robotu TRICEPT HP 1 s paralelní kinematickou strukturou polohovacího ústrojí tvoří stojan, který je pevně usazen na základové desce. Horní konec stojanu obdélníkového průřezu nese vodorovný příčník tvaru písmene U, na nějž jsou kloubově připevněny horní části tří svislých ramen přímočarých (translačních) pohybových jednotek. Klasické polohovací ústrojí (sériově na sebe navazující kinematické dvojice a pohybové jednotky) je tedy u tohoto robotu nahrazeno prostorovou prutovou soustavou lineárních pohybových jednotek (aktuátorů), které jsou dolními konci navzájem kloubově připojeny na Stewartovu plošinu. Toto kloubové připojení je v geometrických místech, odpovídajících vrcholům rovnostranného trojúhelníku, v jehož středu se nachází referenční bod B r základního kinematického řetězce a je geometrickým místem pro připojení orientačního ústrojí robotu. Toto orientační ústrojí je poháněno soustavou převodů, umístěných ve svislém tubusu, nacházejícím se uprostřed svazku tří pohybových jednotek (viz Obr. 2.11b). Celkově jde tedy o zařízení, zatříďující jej morfologicky do struktur s hybridní kinematikou (viz schéma na Obr. 2.11a), jeho polohovací ústrojí je však plně provedeno jako paralelní kinematická struktura. 16

a. b. Obr. 2-12 Morfologické třídění kinematických struktur stavby strojů a robotů (a) a průmyslový robot s hybridní kinematickou strukturou polohovacího ústrojí TRICEPT HP1 (b) b. 2.1.5. Automatické dopravní vozíky ADV (Automatic guide vehicle-agv) Prvním stupněm vývoje mobilních robotů byla konstrukce automatického dopravního vozíků (ADV), jako mezioperačního manipulačního zařízení, používaného v pružných výrobních soustavách (PVS). ADV jsou určeny pro převoz těžkých dílců nebo součástí, nástrojů, výrobních pomůcek ap., např. mezi jednotlivými výrobními stroji (především obráběcími centry - OC). Jejich nevýhodou je pevně určená dráha, kterou v naprosté většině tvoří do podlahy zapuštěný el. vodič - indukční řízení ADV. Obr. 2-13 Způsob vedení ADV: 1-snímací anténa s cívkou, 2-zapuštěný kabel, 3-elektronický ŘS, 4-amplifikace, 5-ovládací motor, 6-mag. Pole Obr. 2-14 Princip snímání trasy: 1-vodič, 2-drážka, 3-elmag. pole 4-cívka 17

Obr. 2-15 Princip laserového vedení ADV ADV jsou napájeny z trakčních akumulátorových baterií, které se opětovně nabíjejí samočinným připojením a to podlahovým (Obr. 2.20), výškovým (Obr. 2.21), nebo jsou vybaveny vlastním nabíjecím zařízením a připojí se ručně nebo automaticky. Obr. 2-16 Znovunabíjení samočinným připojením podlahovým: 1-zásuvka, 2-nabíječka mimo ADV, 3-baterie Obr. 2-17 Znovunabíjení samočinným připojením výškovým: 1-zásuvka, 2-nabíjecí stožár, 3- nabíječka v ADV, 4-baterie Systém kontroly stavu baterie vydává signál, jakmile se kapacita baterií přiblíží svému minimálnímu stavu. Tento minimální stav je volen tak, aby vozík mohl dokončit svoji činnost a ještě se dopravit do nabíjecí stanice. 2.2. PŘÍKLADY TYPICKÝCH PŘEDSTAVITELŮ PRaM Z HLEDISKA KONSTRUKČNÍHO 2.2.1. Základní typy průmyslových robotů Za základní typy průmyslových robotů a manipulátorů lze pokládat takové, jejichž základní kinematický řetězec je odvozen od základních spojení kinematických dvojic a) TTT, b) RTT, c) RRT, d) RRR v uspořádáních, umožňujících dosahování základních pracovních prostorů podle obr.2.5. aa) Základní uspořádání XYZ ve spojení TTT se vyznačují svislým pohybem koncového členu jejich ZKŘ. Obsluhovaným prostorem je kvádr. Velmi často je realizováno jako portálové provedení jednostranné (viz Obr. 2-18a,b), nebo celoportálové (viz Obr. 2-18c,d,e,f,g). Translační kinematická dvojice vodorovného posuvu Y bývá buď typu smykadlového (viz Obr. 2.2a), jako u robotu MANTA (viz Obr. 2-18a), nebo suportového (viz Obr. 2-18b), jako u robotu PRKM-20 (viz Obr. 2-18b). 18

a. b. c. d. e. f. g. Obr. 2-18 Schéma portálového robotu (a) MANTA (J) a provedení robotu PRKM-20 (VUT v Brně - CZ) (b), francouzského průmyslového robotu RENAULT PORTIQUE-80 (c,d), německého REIS (e) a KUKA (f) a švédského ABB (g): ba) Uspořádání CZY (CZX) v základním spojení RTT nemá sice svislý pohyb koncového členu, jeho představitelem je však první z průmyslových robotů VERSATRAN-500 (viz Obr. Obr. 2-19a). Je to velmi rozšířený typ (např. viz robot BEROE na Obr. 2.1b a Obr. 2-19b) s mnoha modifikacemi vodorovného výsuvu. Obsluhovaným prostorem je válcový segment podle Obr. 2.5b. ca) Typickým představitelem základního uspořádání CBX (CAY) v základním spojení RRT je průmyslový robot UNIMATE (USA). Obsluhovaným prostorem je sférický (kulový) segment podle Obr. 2.5c. a. b. c. Obr. 2-19 Nákresy průmyslových robotů: a. VERSATRAN-500 (GB); b. BEROE RB-321 (BG); c. UNIMATE-2000 (USA) 19

da) V základním uspořádání CAA' (CBB') jsou koncipovány průmyslové roboty světoznámých firem např. ABB a ASEA (S), KUKA a REIS (D), FANUC (J) a další. Většina je programována zprostředkovným učením, norský robot firmy TRALLFA (dnes ABB), nebo japonský MITSUBISHI, je programován bezprostředním učením (viz Obr. 1.2). a. b. c. d. Obr. 2-20 Schéma a provedení švédského průmyslového robotu ASEA-6 (a,b), provedení německého robotu KUKA KR-125 a původního norského robotu TRALLFA (d), dnes ABB (S) 2.2.2. Odvozené typy průmyslových robotů Typy odvozené ze základních spojení jiným uspořádáním KD Za nejdůležitější odvozené typy PRaM, vzniklé v základních spojeních jsou odvozené typy ve spojení TTT (XZY a ZXY), typ s převisem ve spojení RTT (CYZ) a typ SCARA (CC Z) ve spojení RRT. V rámci spojení TTT vyhodnoceny tři uspořádání PRaM, z nichž uspořádání XYZ zejména v portálovém provedení je možné pokládat za uspořádání základní, zbývající dvě XZY a ZXY představují uspořádání odvozená. ab) Uspořádání XZY (TTT) má na rozdíl od základního typu posuv ve svislé ose z uprostřed základního kinematického řetězce. Tím vzniká zvýšený nárok na dimenzování zejména pohonu tohoto svislého pojezdu. Je to však situace, která se běžně vyskytuje např. i u základního typu VERSATRAN ve spojení RTT (viz Obr. 2-19a) a proto se tento typ robotu rovněž často vyskytuje i ve spojení TTT. Je možno ho demonstrovat na průmyslovém robotu ROBOLANG-50 francouzské firmy LANGUEPIN na Obr. 2-21a. bb) Uspořádání ZXY (TTT) se vyznačuje tou zvláštností, že svislý posuv má na začátku svého základního kinematického řetězce (v ose z) a že tudíž v této souřadnici jsou mimořádné nároky na dimenzování pohonu. Obecně se jeví takové uspořádání jako neobvyklé, ale přesto je v některých případech použito. Příkladem je průmyslový robot rakouské firmy IGM s označením LIMAT-2000 (viz Obr. 2-21b,c). 20

a. b. c. Obr. 2-21 Schéma a provedení prům. robotů: a. LANGUEPIN ROBOLANG-50 (F) a průmyslového robotu IGM LIMAT-2000 (A)(b,c) cb) Uspořádání CYZ (RTT) je uspořádání s převisem" (P). Má podobně jako základní typ ve spojení TTT svislý posuv v ose z na konci základního kinematického řetězce (na rozdíl od jeho příbuzného základního typu VERSATRAN ve sledovaném spojení RTT). Z praktického hlediska je toto uspořádání mnohdy žádoucí, neboť má jednak snížené nároky na konstrukci koncového členu ZKŘ a jednak může obsluhovat prostor za svislou překážkou. Dlouho se však mezi vyráběnými typy neobjevovalo. Na Obr. 2-22 je představen jeden z členů modulárního robotického systému z VUKOVu Prešov APR-2,5 a sice jeho typ 03. Obr. 2-22 Schéma a model modulárního (stavebnicového) průmyslového robotu APR 2,5 03 (SK) db) Uspořádání CC Z (RRT) Podobně jako předcházející uspořádání odvozeného typu ve spojení RTT se toto odvozené uspořádání ve spojení RRT původně v praxi nevyskytovalo a objevilo se cca v r.1986 u několika firem téměř současně jako velmi propagovaný typ montážního průmyslového robotu pod tehdy nově zavedeným názvem "SCARA". a. b. c. Obr. 2-23 Průmyslové roboty typu "SCARA" a.: BOSCH SR 800 (D), b.: GEC BODY (GB), c.: Pana-Robot Hr-155C (J) 21