Robotika A robotok története - bevezetés Magyar Attila
[email protected]
A robotok története Idő
Irodalmi utalás, esemény
Kr.e.1000
Biblia (Ter.): Ádám – gólem
Kr.e. 800
Homérosz: Iliász Hephaisztosz női
Robot, vagy szerkezet
Kr.e. 400
Tarentumi Arkhütasz fagalambja
Kr.e. 300
Han császár zenekara (Kína)
Kr.e. 250
Alexandriai Kteszibiusz klepszidrája (vízióra)
Kr.u. ~0
Ovidius: Átváltozások (Pygmalion és Galatea)
Kr.u. 100
Hérón: Automata színház leírása
500
Hérón automatái (Alexandria) A Hercules - vízióra Szíriában
A robotok története Idő
Irodalmi utalás, esemény
Robot, vagy szerkezet
1235
Villard de Honnecourt – repülő sas
1242
Möngke kán szökőkútja (Guillaume Boucher)
1250
Albertus Magnus gépinasa (android)
1260
Roger Bacon beszélő feje
1450
Regiomontanus: műlégy, repülő sas
1510
Leonardo da Vinci repüléstanulmányok
1540 1690
Zevi Hirsch ben Jacob Ashkenazi - Gólem
Leonardo da Vinci madármodellje
Robotika •
Kulturális gyökerek
•
Robotika 3 alaptörvénye (Isaac Asimov): 1. A robotnak nem szabad kárt okoznia emberi lényben vagy tétlenül tűrnie, hogy emberi lény bármilyen kárt szenvedjen. 2. A robot engedelmeskedni tartozik az emberi lények utasításainak, kivéve, ha ezek az utasítások az első törvény előírásaiba ütköznének. 3. A robot tartozik saját védelméről gondoskodni, amennyiben ez nem ütközik az első és a második törvény előírásaiba.
•
Robot: teljesen független gép, amely képes megváltoztatni a környezetet, amelyben működik. Robotika: érzékelés és az akció intelligens kapcsolata
Robotika •
Mechanikai rendszer - az akciót megvalósító részrendszer •
Helyváltoztató berendezés – mozgás a környezetben
•
Manipulációs berendezés – környezetbeli objektumokkal való operálás
(mechanika, anyagtudomány, beavatkozó szervek)
•
Szenzoros rendszer – az érzékelést megvalósító rendszer •
Belső állapot – mechanikai rendszer állapota
•
Külső állapot – környezet állapota
(anyagtudomány, jelfeldolgozás, adatfeldolgozás, információ-visszakeresés)
•
Irányítórendszer – az akció és az érzékelés közti kapcsolat •
Döntés egy adott akcióról a mechanikai rendszer és a környezet által jelentett korlátozásokat figyelembe véve
(kibernetika, mesterséges intelligencia, szakértői rendszerek, szabályozáselmélet)
Robotika •
Autonómia •
•
Feladatmegoldás strukturálatlan környezetben
Ipari robotika •
Erősen strukturált környezet
•
Kisebb fokú autonómia
•
Automatizált gyártórendszerek
Ipari robotika •
•
•
•
Automatizálás: Emberek helyettesítése gépekkel vm. gyártási folyamatban •
Fizikai munka elvégzése
•
Döntéshozatal
Merev automatizálás •
Tömegtermelés
•
Egyféle termék
Programozható automatizálás •
Kis-közepes kötegméret
•
Különböző termékek
Rugalmas automatizálás •
Különböző kötegméret
•
Különböző termékek
Robot definíciója: Újraprogramozható, többfunkciós manipulátor anyagok, eszközök, részegységek mozgatására, megváltoztatására programozott mozdulatsor segítségével különféle feladatok elvégzése érdekében. (- Robot Institute of America, 1980)
Ipari robot felépítése •
Manipulátor: Merev testek (szegmensek) sorozata illesztésekkel (csukló,
•
izület) összekapcsolva
•
Kar: mozgást biztosítja
•
Csukló: kézügyesség
•
Végberendezés: szükséges feladat elvégzése
Beavatkozó szervek: A manipulátort mozgatja •
Izületeknél hatnak
•
Működésük elektromos, hidraulikus, v. pneumatikus
•
Szenzorok: manipulátor, illetve a környezet állapotát méri
•
Szabályozórendszer: (számítógép), ami a manipulátor irányítását és felügyeletét biztosítja
Ipari robotok alkalmazása •
Anyagkezelés: képes felemelni mozgatni, és letenni egy tárgyat
•
Gyártási műveletek: tárgyak és szerszámok mozgatására való képesség
•
Palettázás
•
Ív- és ponthegesztés
•
Raktár feltöltés/kirakodás
•
Festés, bevonás
•
Adagolás
•
Ragasztás, forrasztás
•
Osztályozás
•
Vágás lézerrel és vízsugárral
•
Csomagolás
•
Őrlés, fúrás
•
Öntés
•
Csavarozás, huzalozás, rögzítés
•
Összeszerelés (mechanikai és elektromos)
Mérés: 3D mozgás, mérési képesség •
3D tárgyak vizsgálata
•
Kontúrok keresése
•
Gyártási hibák keresése
Manipulátor felépítések Alapszerkezet: kinematikai lánc típusa Nyílt kinematikai lánc: csak egy szegmens sorozat köti össze a lánc két végét Zárt kinematikai lánc: hurkot alkotnak a szegmensek (nagyobb terhelések esetén) Alapszerkezet: ízület Prizmatikus: transzlációs mozgás
Rotációs: forgómozgás
Manipulátorok szerkezete •
Munkatér (workspace): a környezet azon része, amit a végberendezés el és az
•
•
tud érni. Formája, és térfogata függ a manipulátor felépítésétől, ízületek mechanikai korlátaitól Manipulátorok típusai a kar morgásának szabadsági fokai szerint Descartes Hengeres Gömb SCARA Antropomorf
Végszerszám az aktuális feladat határozza meg: Megfogó, hegesztő, szórópisztoly, fúró, csavarhúzó, stb.
Manipulátorok szerkezete •
Descartes manipulátor
3 prizmatikus ízület, egymásra kölcsönösen merőleges tengelyekkel. A mozgási fokok száma megegyezik a szabadsági fokok számával: x,y,z •
Merev szerkezet
•
Pontos pozícionálás a teljes munkatéren
•
Kicsi a „ügyessége”
•
Ha felülről közelíti meg a munkadarabot, állványos kialakítás (nagy teherbírás)
•
Alkalmazás: anyagmozgatás, összeszerelés
•
Hajtás elektromos néha pneumatikus
Manipulátorok szerkezete •
Hengeres manipulátor
2 prizmatikus és 1 forgó ízület. A mozgási fokok száma megegyezik a szabadsági fokok számával: r,θ,z (hengeres koordinátarendszer) •
Merev szerkezet
•
A pozícionálás pontossága csökken, ha r növekszik
•
Vízszintesen elhelyezkedő nyílásokat is elér
•
Alkalmazás: anyagmozgatás
•
Hajtás: elektromos, hidraulikus
Manipulátorok szerkezete •
Gömbi manipulátor
1 prizmatikus és 2 forgó ízület. A mozgási fokok száma megegyezik a szabadsági fokok számával: r,θ,φ (gömbi koordinátarendszer) •
Kevésbé merev, és bonyolultabb szerkezet
•
A pozícionálás pontossága csökken, ha r növekszik
•
Hajtás: elektromos
Manipulátorok szerkezete •
SCARA manipulátor (Selective Compliance Assembly Ronot Arm)
1 prizmatikus és 2 forgó ízület, az összes ízület mozgási tengelye párhuzamos. Nincs közvetlen összefüggés mozgási fokok száma és a szabadsági fokok száma között •
Függőleges terhelést jól bírja, vízszintes irányban könnyed mozgás
•
A pozícionálás pontossága csökken, ha távolodik az első ízület tengelyétől
•
Alkalmazás: kisebb tárgyak manipulációja
•
Hajtás: elektromos
Manipulátorok szerkezete •
Antropomorf manipulátor 3 forgó ízület, az első ízület mozgási tengelye merőleges a másik kettőjével, ezek párhuzamosak (emberi kar).
•
A legmozgékonyabb az összes közül
•
A pozícionálás pontossága változó a munkatéren belül
•
Alkalmazás: széleskörű
•
Hajtás: elektromos
Manipulátorok szerkezete •
Példák
ABB IRB 4400
Fanuc I-21i
AdeptOne XL
Robot manipulátorok Feladat végrehajtása: a végszerszám végrehajt egy előírt mozgásmintázatot A szabályozó rendszer irányítja a beavatkozókat a mozgásmintázat végrehajtása érdekében. A szabályozónak dinamikus modellre van szüksége.
Modellezés •
Kinematika: leírja a csuklóváltozók és a végszerszám pozíciója, illetve orientációja közti analitikus kapcsolatot
•
Differenciális kinematika: leírja a csuklómozgás és a végszerszám mozgása közti kapcsolatot (sebességekkel)
•
Direkt kinematikai probléma: egy szisztematikus módszer, a végszerszám mozgását a csuklómozgás függvényeként adja meg.
•
Inverz kinematikai probléma: az inverz probléma, a csuklómozgást a végszerszám mozgásának függvényeként adja meg.
•
Dinamika: a manipulátor mozgási egyenleteinek felírása a rá ható erők és momentumok függvényeként → beavatkozó szervek, ill. irányítási stratégia választása
Robot manipulátorok Irányítás •
Csuklókoordinátákban, vagy a végszerszám koordinátáiban
•
Trajektóriatervezés: az állapotváltozók időfüggvényeit határozza meg a kívánt mozgás tömör leírása alapján (pont-pont mozgás, út)
•
Mozgásirányítás: a csukló beavatkozók által biztosítandó, a kívánt trajektóriát megvalósító erők, és nyomatékok időbeli leírása (visszacsatolás)
•
Kölcsönhatás szabályozása: a végberendezés és a környezet kölcsönhatását szabályozza (kontakt erők, stb)
•
Aktuátorok (beavatkozók) és szenzorok
