Robotok áttekintése Robot fogalma: A robot szó a szláv „robota” szóból ered és elsődleges jelentése rabszolgamunka. A köznyelv többféle értelemben használja a „robot” kifejezést. Ezek az értelmezések több csoportba sorolhatók.[1] „A robot egy, olyan elektromechanikai szerkezet, amely előzetes programozás alapján képes különböző feladatok végrehajtására. Lehet közvetlen emberi irányítás alatt, de önállóan is végezheti a munkáját egy számítógép felügyeletére bízva.” [1] „Maga a robot szót 1921-ben CAREL CAPEK Rossum Univerzális Robotjai című színdarabjában használta elsőként. A robota szó csehül munkát jelent. CAPEK robotja önálló döntésre képes eszköz, amely felülkerekedik alkotóján, és rabszolgasorba süllyeszti az embert.”[2] Hétköznapi értelemben akkor használjuk a robot szót, amikor robot rakétákról, ipari
robotokról
vagy
robot
porszívókról
beszélünk.
Más szövegkörnyezetben azonban akkor is használhatjuk a „robot” kifejezést, ha egy emberre metaforikusan mondjuk azt, hogy robot. Mindazon által a robot kifejezés a szépirodalomban és a műszaki- és technikai fogalomkörben is általában olyan eszközöket, vagy berendezéseket jelent, amelyek az ember fizikai és/vagy szellemi munkájához hasonló tevékenységet végeznek. Olyan tulajdonságok vannak meg bennük, amelyek lehetővé teszik, hogy saját tevékenységüket kisebb-nagyobb mértékben ellenőrizzék és korrigálják. A robotokkal kapcsolatos tudomány és technológia a robotika. Összekapcsolja az elektronikát, a mechanikát és az informatikát. A
robot
mechatronikai
egység,
elektromechanikai és elektronikai szerkezeti berendezés.
1
szerkezet, elemek
azaz mechanikai,
integrálásából
származó
Robotok történelmi áttekintése napjainkig Ebben a fejezetben a robotok történelmi hátterét elemzem röviden, csak azokat a fontosabb időszakokat emelve ki, amelyek fontosak a feladatomhoz és ténylegesen hozzá járultak a mai robotok kialakulásához. A teljes történelmi áttekintést „RobotTechnika” című internetes jegyzékből készítettem. Ókor Maga a robotika és robotok számos formája egészen korai időkig nyúlik vissza. A történelem során sokan próbálkoztak emberi alakú robotok, automata gépek, időszámító eszközök gyártásával. Ha a robotgyártás kezdeti időszakait vizsgáljuk, akkor nem mai robotokra kell gondolnunk, hanem az akkori technológiának megfelelő robotizált gépekre, úgynevezett „automatákra”. Az egyik ilyen régi szerkezet id.e.1000 környékén született meg az ókori Kína területén, egy Yan Shi nevű feltaláló által megalkotott (egy császárról mintázott) életnagyságú, ember formájú, mechanikus alak. A másik olyan eszköz, ami időszámításunk előtt lett megalkotva és mai napig létező szerkezet, az a vízóra. Ez a szerkezet - a napórával együtt - a legrégebbi autonóm időmérő szerkezet, amit ember készített és önállóan, emberi beavatkozás nélkül képes volt működni. [4] Középkor Al Jazari feltaláló nevéhez számos automata gép fűződik, amelyeket ő maga tervezett és alakított ki. A kor legzseniálisabb feltalálója volt. Az ő nevéhez köthető az „első programozható robot” is. Robotzenészeket alkotott, amik az uralkodó összejövetelein „szórakoztatták” a vendégeket. A zenészek programozhatósága a klasszikus zenedoboz elvén alapszik. [5]
2
1. ábra Al-Jazari, Robot zenészek (forrás:http://commons.wikimedia.org/wiki/File:AlJazari_-_A_Musical_Toy.jpg) A robotok egy hajó fedélzetén félóránként keltek életre és néhány percen keresztül játszottak. „Mozgásukat gyakorlatilag a zenedoboz fémpöttyökkel ellátott hengerének egy primitív változata biztosította. A hajó teljes hosszában, a zenészek alatt egy hengeres rúd futott végig, melyből ékek álltak ki. A rúd forgásával az ékek a zenészek végtagjaihoz erősített karokat ütöttek meg, életszerű mozgást hozva létre. A rudat egy kis vízkerék forgatta, amit egy billenthető vödör látott el, melyet a hajó fedélzetén lévő tárolóból csorgó víz töltött automatikusan újra 30 percenként. Ez a vezérmű ideális a programozásra, egyszerűen csak teljes hosszában el kell látni lyukakkal és az ékek máris áthelyezhetővé, a mechanizmus átprogramozhatóvá válik.” Itt már felfedezhetők a programozhatóság jelei. [5] Leonardo Da Vinci (1452-1519) nevéhez fűződik az első humanoid robot terveinek feljegyzése. Jegyzeteiben egy mechanikus páncélos lovag tervei szerepeltek, amely képes volt felülni, mozgatta a fegyverét, fejét és az állkapcsát.[5] Újkor 1500-as és 1800-as évek között számos automata gépet építettek és terveztek. Erre az időszakra tehető a mechanikus számológép feltalálása, ami Blaise Pascal, Gottfried Wilhelm Leibniz és Wilhelm Sckickard nevéhez fűződik. [5]
3
1533-ban két automata gépet is építettek. Az egyik egy fém automata sas, Johannes Müller alkotása, amely képes volt repülni is. Szintén hasonló automata szerkezetet alkotott James Dee, akinek egy fából készült bogara volt, amely szintén alkalmas volt a repülésre.[5] 1769-ben Kempelen Farkas elsőként a világon beszélőgépet majd sakkozógépet szerkesztett ami „Török” néven vált híressé. A gépezetben egy ember volt elrejtve, aki tükrök és rések segítségével követte a játékot.[5] 1764-ben John Kay feltalálta a „Fonó Jenny-t” (James Hargreaves segítségével), amik radikális változást hoztak a szövő- és fonóiparba. A „Fonó Jenny” képes volt egyszerre 100 szállal is dolgozni, bár még mindig csak kézi működtetésű volt, az irányításáhozegy kezelő operátorra volt szükség. Az 1779-es továbbfejlesztett változat
már
teljesen
automatizált
működésű
volt.
1781-ben Richard
„Arkwright” vízerővel hajtott szövőgépet épített, mely újabb lépést jelentett az ipari forradalom irányába.[5] Az I. ipari forradalom (XVIII. sz.) idején megjelentek a gépek. Innentől kezdve az ember kivonulhatott a veszélyes, nehéz vagy monoton feladatokból. A ruha- és textilipar teljesen automatizálttá vált, aminek hatására más ipari területeken is terjeszkedni kezdett az automatizált gyártás, az idő- és költségcsökkentés érdekében.[5] A világ első valódi robotja a Televox nevű humanoid robot volt, amely az Egyesült Államok telefonos rendszerét működtette, 1927-ben. Makoto Nishimura 1928-ban megépítette a japánok első robotját, Gakuntensoku-t.[6]
1948-ban Norbert Wiener megfogalmazta a kibernetika elveit, a gyakorlati robotika alapjait. Majd 1949-ben William Grey Walter elkészítette az első robotot, a Turtles-t ami jelentős úttörő volt a robotok fejelődésében.[6] A 20. század második felében jelentős fejlesztések történtek. 1948 és 1952 között jelent meg az Egyesült Államokban a Numerical Control, azaz NC-technológia. Ekkor készült el az első számjegyvezérlésű szerszámgép, amely automatizált,
4
gazdaságos, rugalmas és többgépes kiszolgálást tett lehetővé. Hátránya hogy költséges, sok karbantartást és szakképzett munkaerőt igényel.[7] 1949-ben az amerikai hadiipar szorgalmazta és pénzelte az első számítógép által vezérelt gyártás létrejöttét. A gépezet végül csak 1952-ben készült el az MIT (Messachusetts Institute of Technology) által, amely képes volt aerodinamikai felületek pontos gyártására. Az adatokat szalagon rögzítették, majd ezeket egy számítógép értelmezte. A térbeli felületek marógéppel való megmunkálása egyszerre három irányban folyt.[7] 1946 és 1950 között megjelennek a távműködtetésű manipulátorok, majd1954 az első programozható manipulátor.Jack Kilby és Robert Noyce 1959-ben feltalálja az integrált áramkört, azaz a „chip”-et. Ez az áttörés forradalmasítja a számítástechnikát és a robottechnikát. Jelentősen csökkennek a robotok fizikai méretei és ezzel ellentétesen a sebesség is számottevően megnő.[7] Joseph Engleberger(a „robotika atyja”) és Georg Devol 1954-benelkészítette azelső ipari robotot, ami mágnes hengerre rögzített néhány soros számjegyes utasítást követett. A robot csak 1961-be áll munkába a General Motorsnál. Mechanikus kar két tonnás és hidraulika segítségével Unimate öntvényeket mozgat és hegeszt. [8]
2. ábra Unimate robotkar (forrás: http://people.inf.elte.hu/istenes/robotika/mobilrobotok/) 1971-ben kifejlesztették a „Stanford” kart, amely egytisztán villamos hajtású kisrobot, ez volt a„PUMA” sorozat előfutára.1972-ben több cég is elkezdte a robotok gyártását.[8]
5
„KUKA Roboter GmbH”1973-ben megépítette a világ első 6 tengelyes ipari robotját, a tengelyek elektromos hajtásúak. A robot „Famulus” néven vált híressé. 1974-ben David Silver megtervezte a „Silver Arm” robotkart, mely képes volt olyan finom mozgásokat reprodukálni, mint az emberi kéz. Képes volt visszajelzést adni a tapintásról, nyomásérzékelő szenzorainak segítségével, aminek adatait egy számítógép elemezte.[7] 1975-ben az Unimation „PUMA”sorozatának a bevezetése. „Az első„SCARA” (Selective Compliance Assembly Robot Arm) típusú robot 1978-ban készült, ez egy hatékony 4 tengelyes robotkar amely egyes területeken a legjobban használható gépezet volt. Ezért 1981-ben bevezetésre került az összeszerelő
sorokon.1985-ben
világméretbenelkezdődik
az
autonómmobil
robotoknak afejlesztése.”[7] Napjainkban Az 1990-es évektől rohamos fejlődésnek indul a robottechnika, több cég kezd mobil robotokat gyártani, megjelennek a robotokon a mesterséges intelligencia első jelei. „A mesterséges intelligenciával felruházott robotok már túlmutatnak az egyszerű gépeken. Képesek bizonyos fokú önálló gondolkodásra, így programjukat a körülményekhez igazíthatják, ami így nem merül ki előre megadott utasítások végrehajtásában. Minél "okosabb" egy robot, annál jobban képes valós időben alkalmazkodni, annál elemibb utasítások előzetes megadására van szükség és annál kötetlenebb utasítások értelmezésére képes. Napjaink robotjai már képesek értelmezni pl. a kövess vagy a gyere ide utasításokat, önállóan építik fel, hogy milyen mozgáselemeket és hányszor kell használniuk. Ez persze még messze van az emberi agy teljesítményétől, de hatalmas előrelépés egy gyártósoron dolgozó robotkarhoz képest.”[9]
Robot generációk A robotokat fokozatos fejlesztésüknek megfelelően robot generációkba soroljuk, ezek alapján három robot generációt különböztetünk meg.
6
Első generációs robotok1960-as években jelentek meg, jellemzőjük a meghatározott környezet a gyorsaság és a pontosság. Működésük kötött program szerint történt, így külső jelek nem befolyásolták a robot mozgásprogramját. A környezettől érkező jelek csupán indítási, reteszelési illetve védelmi célokat szolgálnak. Vezérlésük pontvezérlés mely az egyszerű feladatokra specializálódott. Ezeket „Vak” robotoknak is hívták, ugyanis az első generációs robotokat anyagmozgatás esetén külön gondoskodni kellett a mozgatni kívánt tárgy pontos tájolásáról. Ezek a robotok rögzített, nehéz szerkezetek voltak így alkalmazásuk az iparban terjedt el, és az ember számára túl nehéz és veszélyes feladatokat láttak el. [8][10]
3. ábra Első Generációs robotok modellje forrás: http://www.cs.ubbcluj.ro/~csatol/mestint/diak_pdf/2006/KurtiLevente_Robotika.pdf Az 1970-es években megjelennek a második generációs robotok, amelyek a technológia fejlődésének köszönhetően már felvannak szerelve érzékelőkkel, amelyek a környezet jeleit észlelik. Az érzékelők által szolgálatot információ alapján a robotok képesek változtatni bizonyos tevékenységüket. (Érzékelőkkel későbbi fejezetben foglakozok bővebben.)Másik nagy újítás a robotok programozás magas szintű programozási nyelven történik. Kuka Kr3-as robot is második generációs robot.[8][10]
7
4. ábra Második Generációs robotok modellje Forrás: http://www.cs.ubbcluj.ro/~csatol/mestint/diak_pdf/2006/KurtiLevente_Robotika.pdf A harmadik generációs robotokegészen napjainkig terjednek, ezt a generációt tekintjük a robotok szempontjából a legfejlettebbnek. Megjelenik a mesterséges intelligencia alkalmazása, amely alapján a robotok a külső jelek feldolgozását már önállóan végzik és a saját döntésük alapján módosítják viselkedésüket valós környezetben. Ezen döntési rendszerek tették lehetővé, hogy az emberi gondolkodáshoz lehessen hasonlítani a szerkezeteket. Alak- és helyzetfelismerő képességük és mesterséges intelligenciájuk képessé teszi őket a döntésre és problémamegoldásra. Napjainkban ezeket kutatási célokra használják.[8][10]
8
5. ábra Harmadik Generációs robotok modellje (forrás: http://www.cs.ubbcluj.ro/~csatol/mestint/diak_pdf/2006/KurtiLevente_Robotika.pdf)
9
Aszerint, hogy robot mekkora területen végzi a munkáját, három részre lehet osztani.
6. ábra Robot munkaterülete (forrás: [15]) 1 munkatartomány
3 megállási út
2 manipulátor
4 védett terület
0. munkatartomány:az terület ahol a robot a feladatát végezheti, általában ez a terület a minimumra van korlátozva, a manipulátor a munkatartományon belül mozoghat, a munkatartomány az egyes tengelytartományokból tevődik össze. 1. megállási út:reakcióút + fékút, abban az esetben, ha robot átlépi a munkatartományt, akkor ezen a területen van lehetősége lassítani, majd megállni ezáltal elkerülve az esetleges baleseteket. A megállási út a veszélyes terület része. 2. védett
terület:
az
a
terület
ahol
a
robotot
vezérlő
ember
teljes
biztonságbanhelyezkedik el, azaz a veszélyes területen kívül található.[14] Mielőtt bármilyen feladatot is végeznénk, a robottal ezeknek a területeknek a méreteivel tisztában kell lennünk. Ugyanis ezek a robotok komoly sérüléseket okozhatnak bennünk.
10
Vezérlő
Minden robothoz tartozik egy vezérlő egység, aminek a legfontosabb feladata az előbb felsorolt hajtások szabályozása a bejövő jeleknek és a beprogramozott utasításoknak megfelelően. A vezérlő a vezérlőszekrényben (Control Cabinet) kap helyet. Általában az vezérlőszekrények elkülönítve vannak a robottól, de Kr3-as esetében a vezérlőszekrény a robotot tartó állvány aljában kap helyet. A vezérlőszekrény a KR 3C nevet kapta. Két processzor található benne ugyanis szüksége van a szervomotorok hajtását közvetlenül végző szervo egységekre, a programot értelmező és futtató processzorokra, valamint a robot tengelymozgásait összehangoló másik mozgató processzora, mivel a hat tengely mozgásának szinkronizálása jelentős számításigényű feladat. Felépítése: Első ránézésre a szekrénybelseje egy laikus számára nem különbözik egy személyi számítógép(PC) belső felépítésétől, ugyanazok a hardver elemek megtalálhatók benne, HDD, alaplap, memória kártyák, processzor, CD/DVD meghajtó, floppy lemezmeghajtó. De ha jobban megnézzünk más hardver elemek is megbújnak
benne,
amivel
különbőzik
egy
PC-től.
Található
benne
egy
akkumulátor(szünetmentes tápegység UPS).Két processzorral rendelkezik, az egyik a programot futtató processzor ami CISC működésű Intel Celeron típusú, a másik a mozgató processzor aminek a speciális feladatát egy DSP szokta betölteni. Az elektronikus rendszer működéséhez szükség van egyenárammal ellátó szűrőés kapcsolóüzemű tápegységre, valamint egy vészleállító elektronikára, amely veszély esetén megszakítja a robot tápellátását. A környezettel való kommunikáció lebonyolításához különböző csatlakozok álnak rendelkezésre: 2db USB, 2 db COM2es, Ethernet, Profibus. Valamint nélkülözhetetlen a motorok háromfázisú tápellátását előállító inverteregység is, mivel a változtatható nyomaték és sebesség eléréséhez a motorok táplálásának feszültségét és frekvenciáját is változtatni kell. A vezérlőt és a robot egy DeviceNet változatú CAN busz kábel köti össze, ez egy soros buszrendszer, amely lehetővé teszi kapcsolatot a robot és az összes rácsatlakoztatott eszköz között (küldés és fogadás).
11
Programozás
Az ipari robotok programozása alapvetően két nagy csoportra osztható. Különböző robotok, különböző munkafolyamatot végeznek, így az elvégzendő munkafolyamatok más és más programozási technikát igényelnek. A két nagy csoport az ON-LINE és az OFF-LINE programozás.A KUKA robotokat mind a két programozási módszer alapján lehet programozni.A feladatom megvalósításához mind a kettő módszert alkalmaztam ennek bemutatása későbbi fejezetben található.
ON-LINE programozás
Alapvető funkciója, hogy magát a robotot programozzák. Előnye, hogy a programozó látja a robot mozgását és a munkateret, számításba tudja venni a munkaterületen elhelyezkedő tárgyakat és a program elkészülése után ellenőrizni tudja a működését. Előnye még hogy, az esetleges hibákat azonnal tudja korrigálni. Hátránya különösen ipari szempontból jelentős hogy a programozás idejére a robotot le kell állítani. Az ON-LINE programozás megköveteli a robot jelenlétét anélkül nem lehet alkalmazni ezt a programozási típust. Ezt a módszert előszeretettel alkalmazzuk a robotokon. [16] Az OL-LINE programozás technikái A legelterjedtebb a módszer az Indirekt betanítás(Indirect Teach-In) vagy egyszerűen betanítás elven működő programozási módszer. Majdnem minden ipari robotnál alkalmazzák. Lényege hogy a vezérlő berendezés segítésével a lényeges pontokba mozgatjuk a robotot, és ezek helyzetét rögzítjük a memóriába. Ebben a módban megadhatjuk, hogy a robot a pontok közötti pályát, milyen útvonalon járja be. [16]
12
Kevésbé használatos programozási technika a Direkt betanítás(Direct TeachIn). Ezt a módszert nem lehet alkalmazni a KR3-as roboton de azért teszek róla említést. A lényege, hogy a kezelő végigvezeti a robot kart a kívánt útvonalon, miközben a vezérlőegység folyamatosan rögzíti a robotkar helyzeteit, majd a végig járás után a vezérlő lefutatja a rögzített programot. Nagyméretű robotoknál a robotkar könnyített, hajtások nélküli modelljét mozgatja a vezérlő. Másik megnevezése a mester-szolga (Master-slave) programozás. [16]
OFF-LINE programozás
Az on-line programozással ellentétben itt nincs szükség a robot jelenlétére. A vezérlő vagy programozó egy számítógép segítségével a robottól függetlenül szöveges formában írt programot készít el amit feltölt a robot memóriájába. Előnye hogy a programozás és a programfejlesztés alatt a robotot nem kell kikapcsolni. Ennek az ipari alkalmazásokban nagy jelentősége van, főleg ott ahol a robotok 24 órás műszakban dolgoznak. Ennél a programozási módszernél a robot működésének definiálása általában valamilyen magas szintű nyelven történik. [16]
13
