A K Ž Á K U
ROBOTIKA
LE
P M A -S
A K Ž Á K U
LE
P M A -S
Ján Vachálek, Gergely Takács
U
ROBOTIKA
A K
Ž
Á
K LE
P
M
A
-S SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE 2014
A K
Ž
Á
K
U M
A
-S Všetky práva vyhradené. Nijaká časť textu nesmie byť použitá na ďaľšie šírenie akoukoľvek formou bez predchádzajúceho súhlasu autorov alebo nakľadateľstva.
prof. Ing. Peter Hubinský, PhD. prof. Ing. Anton Vitko, PhD.
Jazyková korektúra:
PhDr. Marta Rohaľová-Ilkivová Mgr. Katarína Vachálková
Schválila Vedecká rada Strojníckej fakulty STU.
LE
Recenzenti:
P
c Ing. Ján Vachálek, PhD., Ing. Gergely Takács, PhD.
Obsah
K
U A K
Ž
Á
1 Úvod 1.1 Stručná história robotiky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Počiatky a súčasný stav robotiky u nás . . . . . . . . . . . 1.2 Robotika ako technická disciplína . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Robotika a jej vzťah k ostatným odborom . . . . . . . . . . 1.2.2 Dôvody potreby robotiky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 Pojem „robot“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4 Pojem „priemyselný robot“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.5 Pojem „priemyselný manipulátor“ . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Základné rozdelenie PRaM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Jednoúčelové manipulátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Univerzálne manipulátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Podľa kinematickej štruktúry . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Podľa počtu stupňov voľnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.5 Podľa softvérových vlastností . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.6 Podľa typu vykonávaných úkonov . . . . . . . . . . . . . . 1.3.7 Podľa nosnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.8 Podľa presnosti polohovania . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.9 Podľa negeometrických a geometrických vlastností . . . . . 1.3.10 Podľa pohybu v manipulačnom priestore . . . . . . . . . . 1.3.11 Podľa druhu použitého pohonu . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.12 Podľa technologického určenia a konštrukčného vyhotovenia
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19 19 23 25 26 26 28 28 29 29 30 31 32 34 34 36 36 36 37 38 38 39
LE
P
M
A
-S
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Mechanika PRaM 2.1 Kinematika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Základná terminológia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Základné druhy kinematických dvojíc . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Definovanie polôh manipulovaného objektu . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Presnosť kinematického modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Úvod do riešenia kinematických úloh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Štruktúry PRaM podľa použitého súradného systému . . . . . . 2.2.2 Výpočet stupňov voľnosti, Grüblerovo (Kutzbachovo) kritérium . 2.2.3 Kvaternióny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
. . . . . . . . .
41 41 42 44 44 46 47 52 52 53
2.3
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
54 55 57 62 63 64 66 66 71 75 81 84
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
87 87 89 89 90 90 91 92 93 94 95 95 97
4 Pohony, snímače a riadiace systémy 4.1 Pohony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Požiadavky na pohony PRaM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Prevody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Ozubené prevody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Lineárne valivé vedenia . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Planétové prevody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4 Harmonické prevody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5 Cykloidné prevody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Popis základných druhov pohonov PRaM . . . . . . . . . . . 4.4.1 Elektrický pohon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Pneumatický a hydraulický pohon, tekutinové pohony 4.5 Odporúčané nasadenie pohonov podľa požiadaviek . . . . . . 4.6 Snímače . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.1 Základné rozdelenie snímačov podľa ich funkcie . . . . 4.7 Snímače indikácie styku úchopnej hlavice s objektom . . . . . 4.7.1 Hmatové snímače . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.2 Snímače priblíženia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
99 99 99 101 102 103 104 105 105 106 106 108 110 111 112 114 114 118
2.4 2.5
U
Priama kinematická úloha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 PKU s použitím homogénnych transformačných matíc 2.3.2 Denavit – Hartenbergov zápis a kritérium . . . . . . . 2.3.3 Priama kinematická úloha riešenie 5R1P manipulátora Inverzná kinematická úloha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Možnosti riešenia inverznej kinematickej úlohy . . . . Dynamika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Základné vzťahy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Príklad riešenia dynamických účinkov . . . . . . . . . 2.5.3 Diferenciálna kinematika . . . . . . . . . . . . . . . . . Statika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.1 Tuhosť a poddajnosť manipulátora . . . . . . . . . . .
K
2.6
A K
Ž
Á
3 Pracovné hlavice 3.1 Pracovné hlavice podľa konštrukcie . . . . . . . . . . 3.2 Úchopné hlavice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Mechanické úchopné hlavice . . . . . . . . . . 3.2.2 Magnetické úchopné hlavice . . . . . . . . . . 3.2.3 Podtlakové úchopné hlavice . . . . . . . . . . 3.2.4 Pretlakové úchopné hlavice . . . . . . . . . . 3.2.5 Androidné úchopné hlavice . . . . . . . . . . 3.3 Technologické hlavice . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Technologické hlavice bez fyzického kontaktu 3.3.2 Technologické hlavice s fyzickým kontaktom . 3.4 Montážne hlavice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Meracie hlavice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
LE
P
M
A
-S
. . . . . . . . . . . .
6
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
120 122 123 124 126
5 Konštrukcia, lokalizácia a navigácia robotov 5.1 Konštrukcia mobilných robotov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Diferenciálny podvozok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Synchrónny podvozok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3 Trojkolesový podvozok s riadením jedného kolesa . . . . . . 5.1.4 Ackermanov podvozok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.5 Podvozok so štyrmi a viac nezávisle riadenými kolesami . . 5.1.6 Pásové podvozky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.7 Podvozok so všesmerovými kolesami . . . . . . . . . . . . . 5.2 Lokalizácia mobilných robotov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Inerciálna lokalizácia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Triangulácia s meraním vzdialeností k orientačným bodom 5.2.3 Triangulácia s meraním uhlov k orientačným bodom . . . . 5.2.4 Metóda Dopplerovského posunu . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.5 Odometria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Navigácia mobilných robotov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
129 130 132 133 134 134 134 135 136 138 139 140 141 142 143 143
4.8
4.7.3 Snímače na meranie síl a momentov . . . . . . . . Riadiace systémy PRaM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.1 Riadiace systémy podľa použitej generácie riadenia 4.8.2 Požiadavky na hardvér . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.3 Požiadavky na softvér . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
A K
Ž
Á
K
U
145
Prílohy
150
-S
6 Oblasti nasadenia a aplikácie robotov
Základné pojmy a pravidlá maticového počtu
151
A
Literatúra
156
M
Register
165
LE
P 7
A K Ž Á K U
LE
P M A -S
8
Zoznam obrázkov
K
U Prvý písomný záznam vodou poháňaných hodín zo starovekej Číny Vitruviánsky človek od Leonarda da Vinciho . . . . . . . . . . . . Lietajúci člnok pre potreby tkacieho stroja . . . . . . . . . . . . . . Hisashige Tanaku a jeho servírovací čajový humanoidný automat . Karel Čapek R.U.R. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prvý priemyselný robot: Unimate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prvé robotizované pracovisko u nás . . . . . . . . . . . . . . . . . . Základné rozdelenie PRaM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technologický robot firmy Reis Robotics s plazmovou hlavicou . . Rozdelenie PRaM podľa SS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Univerzálny robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Manipulačný priemyselný robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9
Popis základných častí PRaM . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kinematické reťazce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druhy kinematických dvojíc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Operačný priestor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Príklad pracovnej obálky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Presnosť kinematického modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . Popis bodov a vektorov c súradnom systéme . . . . . . . . . . Výpočet uhlu medzi osou x a orientovaným vektorom AB . . Tuhé teleso v priestore dané súradnicami vektorov spojených s t, b) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kvaternion v súradnom systéme . . . . . . . . . . . . . . . . . Eulerove uhly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vzájomná poloha 2 priamok v priestore a ich priečka . . . . . Denavit–Hartenbergrová transformácia . . . . . . . . . . . . . Susedné súradnicové systémy v DH transformácii . . . . . . . Denavit-Hartenbergovho transformácia zjednodušený popis . 5R1P manipulátor riešenie PKÚ . . . . . . . . . . . . . . . . 5R1P manipulátor riešenie IKÚ . . . . . . . . . . . . . . . . . Všeobecný priestorový pohyb tuhého telesa . . . . . . . . . . Polohovanie v pravouhlých a valcových súradniciach . . . . . Polohovanie vo sférických súradniciach . . . . . . . . . . . . .
A K
Ž
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
20 21 22 23 24 26 27 30 34 35 36 37
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . telesom (n, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42 43 44 45 46 47 48 49
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
51 54 56 58 59 60 61 62 64 66 68 70
LE
P
M
A
-S
2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20
Á
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12
9
2.21 2.22 2.23 2.24 2.25 2.26 2.27 2.28
Kinematická schéma robota s troma stupňami volnosti . . . . . . . . . . . Infinitesimálna rotácia v osiach x,y,z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma jednoduchého manipulátora so 2 stupňami voľnosti . . . . . . . . Schéma jednoduchého manipulátora pre výpočet Jakobiánu pre otočný kĺb Schéma jednoduchého manipulátora pre výpočet Jakobiánu pre posuvný kĺb Jednoduchý model kĺbu v otvorenom kinematickom reťazci . . . . . . . . Statické sily pôsobiace na rám a chápadlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tuhosť a poddajnosť manipulátora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
U 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11
Nožnicová úchopná hlavica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kombinovaná hlavica: ABB FlexGripper . . . . . . . . . . . . Mechanická hlavica s využitím silového pôsobenia čeľusti . . Aktívna podtlaková hlavica: ABB FlexGripper Vacuum . . . Pretlakové úchopné prvky so symetrickým profilom: prsty . . Androidná úchopná hlavica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hlavice na oblúkové zváranie: ABB zvárací robot . . . . . . . Hlavice na striekanie: ABB IRB 5400 striekací robot . . . . . Hlavice na bodové zváranie: ABB FlexGun . . . . . . . . . . Hlavice na priame obrábanie: ABB obrábací robot IRB 2400 Meracia hlavica: ABB OptiCell . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23 4.24
Ozubené prevody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Guľôčkové lineárne valivé vedenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planétový prevod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Harmonické prevody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrické motory s rotačným výstupom . . . . . . . . . . . . . . . . . Modelársky krokový (servo) motor na robotickom ramene . . . . . . . Pneumatický pohon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydraulický pohon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bloková schéma meracieho kanála . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mikrospínačové snímače . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tenzometrické snímače na chápadle robota . . . . . . . . . . . . . . . Piezoelekrické prevodníky MIDEÉ QP25N a QP22B . . . . . . . . . . Fotometrické snímače . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Indukčný snímač SIEMENS 3RG4014 . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optické vlákna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Suchý elektroaktívny polymer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hagisonic StarGazer RS na lokalizáciu robotov vo vnútornom priestore Snímač KEYENCE LK-G založená na princípe laserovej triangulácie . Ultrazvukové snímače . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Snímače na meranie síl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Počítačové videnie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Infračervená zábrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vstupno / výstupné operácie: Profibus zbernica . . . . . . . . . . . . . Logické inštrukcie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
102 103 104 105 107 108 109 110 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127
A K
Ž
Á
K
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
72 75 77 79 80 82 84 85
LE
P
M
A
-S 10
4.25 Rebríková schéma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Robot S-bot v2.0 s diferenciálnym podvozkom . . . . . . . . . . . Robot s diferenciálnym podvozkom so štyrmi kolesami . . . . . . Kinematický princíp diferenciálneho podvozku . . . . . . . . . . . Kinematický princíp synchrónneho podvozku . . . . . . . . . . . Kinematický princíp trojkolesového podvozku s riadením jedného Kinematický princíp Ackermanovho podvozku . . . . . . . . . . . Robot Curiosity pri výskume Marsu . . . . . . . . . . . . . . . . Bojový robot s pásovým podvozkom . . . . . . . . . . . . . . . . Klasické všesmerové koleso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Podvozok s klasickými všesmerovými kolesami . . . . . . . . . . . Koleso Mecanum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Triangulácia s meraním vzdialeností k orientačným bodom . . . . Triangulácia s meraním uhlov k orientačným bodom . . . . . . . Metóda Dopplerovského posunu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . kolesa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
132 133 133 134 134 135 135 136 137 137 138 140 141 142
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6
Nasadenia PRaM v priemysle: ABB paletovací robot . . . . Chirurgický robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Robot na čistenie verejných priestranstiev . . . . . . . . . . Bezpilotný bojový a prieskumný robot UAV MQ-9 “Reaper” Nasadenia robotov vo vesmírnom výskume . . . . . . . . . . Robotický domáci vysávač . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
145 146 147 147 148 149
A K
Ž
Á
K
U
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
LE
P
M
A
-S 11
A K Ž Á K U
LE
P M A -S
12
A K
Ž
Á
K
U P
M
A
-S LE
Radkovi, Mirkovi, Kataríne a Janke
A K Ž Á K U
LE
P M A -S
Autori ďakujú Agentúre na podporu výskumu a vývoja (APVV) za finančnú podporu pri riešení projektu, v rámci ktorého vznikla táto publikácia. (číslo grantu APVV-0090-10, APVV-0131-10, a APVV-0280-06)
Á
K
U A K
Ž
Autori ďakujú agentúre VEGA Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej Rebpubliky za finančnú podporu pri riešení projektu, v rámci ktorého vznikla táto publikácia. (číslo grantu VEGA 1/0138/11)
MINISTERSTVO ŠKOLSTVA, VEDY, VÝSKUMU A ŠPORTU
SLOVENSKEJ REPUBLIKY
LE
P
M
A
-S
A K Ž Á K U
LE
P M A -S
Predslov
K
U A K
Ž
Á
Učebnica Robotika je určená predovšetkým pre študentov 5. ročníka Strojníckej fakulty STU, k štúdiu predmetu Robotika, ktorý je prednášaný na Ústave automatizácie, merania a aplikovanej informatiky. Zaoberá sa základnými pojmami z oblasti priemyselných robotov a manipulátorov, ich mechanikou, a témami z oblastí ich návrhu, konštruovania a riadenia. Všetky teoretické podklady sú podporené praktickými cvičeniami spracovanými v skriptách Robotika—Návody na cvičenia (Vachálek a kol. [74]) a spolu tvoria základný celok nevyhnutný k úspešnému zvládnutiu celého predmetu. Keďže ide o prvé vydanie učebnice z daného predmetu na Strojníckej fakulte STU, budeme čitateľom vďační za každú pripomienku k jej obsahu.
-S
Radi by sme poďakovali za cenné pripomienky a názory k textu učebnice recenzentom rukopisu, prof. Ing. Petrovi Hubinskému, PhD., prof. Ing. Antonovi Vitkovi, PhD. Za jazykovú korektúru ďakujeme PhDr. Marte Roháľovej-Ilkivovej a Mgr. Kataríne Vachálkovej.
P
M
A
Taktiež by sme sa chceli poďakovať všetkým našim kolegom, ktorí nám pri písaní tejto publikácie pomohli svojimi radami a pripomienkami, zvlášť kolegovi Vladimírovi Smutnému z FEL, ČVUT Praha, ktorý nám pomohol pri začiatkoch tvorby nášho predmetu svojimi skúsenosťami, radami a odporúčaniami.
Bratislava, marec 2014
LE
Ján Vachálek Gergely Takács
17
18
A K Ž Á K U
LE
P M A -S
Kapitola 1
U
Á
K
Úvod
A K
Ž
Učebnica vznikla ako učebný podklad k predmetu Robotika, ktorý je prednášaný na Ústave automatizácie, merania a aplikovanej informatiky (ÚAMAI SjF STU). Predmet Robotika má charakter všeobecného úvodu do odboru robotiky, ktorého ambíciou je v rámci jedného semestra zorientovať poslucháčov v komplexnej problematike modernej robotiky. Publikácia sa preto nezaoberá všetkými čiastkovými odvetviami a odbormi v rámci robotiky dopodrobna. Cieľom je, aby sa v rámci učebných osnov prebrali základné robotické informácie, terminológia a odvetvia, a aby sme poskytli našim študentom čo najlepší popis toho, čo v oblasti priemyselnej robotiky možno v praxi očakávať. Učebnica je podporená doplnkovými návodmi na cvičenia vo forme skrípt Robotika—Návody na cvičenia (Vachálek a kol. [74]), kde sa prakticky na základe riešených a neriešených úloh preberajú problémy teoreticky vysvetlené v učebnici, s dôrazom na oblasť riešenia mechaniky priemyselných robotov a manipulátorov (PRaM).
A
-S
1.1
Stručná história robotiky
LE
P
M
Dúfame, že daný výber preberaných tém je vhodný a v rámci možností aj dosť podrobný, nakoľko nájsť vhodnú mieru medzi všeobecným výkladom a podrobným výkladom preberaného učiva je v tak rozsiahlom a zaujímavom vednom odbore, ako robotika, bezpochyby náročné.
História robotiky je bohatá. Typickou túžbou ľudstva a hnacou silou pokroku je už od nepamäti snaha tvoriť a vynachádzať nové postupy, poznatky a technické vynálezy uľahčujúce jeho prácu a život. Každá dávna civilizácia od určitého bodu dosiahla úroveň, kedy jej poznatky a technické zručnosti v rukách výnimočných jedincov dokázali vytvoriť na svoju dobu pokrokové riešenia, ktoré možno z dnešného pohľadu označiť za predchodcov súčasnej robotiky. V nadcházajúcej časti tejto kapitoly si v skratke spomenieme najvýznamnejších známych vynálezcov a bádateľov, ktorí sa svojou prácou pričinili ku vzniku robotiky tak ako ju dnes poznáme. Najstaršie zachované písomné záznamy o prvotných pokusoch zostrojiť mechanickú kon19
20
KAPITOLA 1. ÚVOD
A K
Ž
Á
K
U -S
Obr. 1.1: Prvý písomný záznam vodou poháňaných hodín zo starovekej Číny [53]
LE
P
M
A
štrukciu imitujúcu pohyb človeka sú v súčasnosti dostupné z dávnej Číny, kde sa popisuje komplexná konštrukcia mechanického humanoida, a taktiež aj zaujímavý projekt vodou poháňaných astrologických hodín, ukazujúcich polohu planét a hrajúcich pri tom hudbu. Tieto na svoju dobu veľmi pokročilé výtvory navrhli čínsky učenci Yan Shi v období kráľa Mu zo Zhou, žijúceho v rokoch 1023 až 957 pred naším letopočtom a Su Song z provincie Kaifeng v roku 1088 pred naším letopočtom [54]. Ďalšou starovekou civilizáciou, ktorá pracovala na obdobných konštrukciách, je staroveké Grécko. Tu sa od roku 400 pred našim letopočtom dochovalo veľa písomných pamiatok o komplikovaných mechanických vodných hodinách, ukazujúcich rôzne, najmä kozmické úkazy (postavenia planét, slnovraty, náboženské sviatky atď.), ale i podklady rôznych mechanizmov predstavujúcich bájne mytologické tvory, ktoré boli zostrojené a umiestnené v chrámoch, aby podporovali rôzne náboženské učenia. Mnoho týchto diel nemá konkrétneho autora, len sa uvádza ich popis. Zo známych učencov možno spomenúť mená ako Archytas z Tarentu a Ctesibius z Alexandrie, ktorí zostrojili množstvo zaujímavých mechanických výtvorov s dochovanými písomnými podkladmi k nim [39].
Po úpadku starovekého Grécka a postupným zánikom Ptolemajovho Egypta sa rozvojom mechanických výtvorov zaoberali hlavne arabskí učenci. Najznámejší z nich bol Al-Jazari, žijúci v rokoch 1136 až 1206. Al-Jazari ako najlepší bádateľ tej doby žil priamo v sultánovom hlavnom sídle a pre neho aj vytvoril prvého programovateľného
1.1. STRUČNÁ HISTÓRIA ROBOTIKY
21
A K
Ž
Á
K
U -S
Obr. 1.2: Vitruviánsky človek od Leonarda da Vinciho [18]
M
A
humanoidného robota. Bola to loď so štyrmi humanoidnými robotmi hrajúcimi hudbu podľa programu [62]. Arabskí učenci potom postupom času priniesli svoje poznatky do stredovekej Európy, kde počiatkom 13. storočia vznikli mnohé pokročilé technické výtvory a popisy snažiace sa napodobniť pohyby človeka a zvierat [29].
LE
P
Jedným z dnes svetovo najznámejších bádateľov konštruujúcich mechanických predchodcov dnešných robotov je renesančný bádateľ Leonardo da Vinci, žijúci v rokoch 1452 až 1519, ktorý svojim dielom Vitruviánskeho človeka a neskôr aj technickým popisom konštrukcie mechanického rytiera výrazne predbehol svoju dobu a stal sa inšpiráciou pre neskorších učencov pôsobiacich v tomto obore. Pokračovateľom da Vinciho odkazu možno nazvať aj Johna Deea, žijúceho v rokoch 1527 až 1609, ktorý zostrojil funkčného lietajúceho dreveného chrobáka, ktorý v danej dobe vzbudil veľký záujem širokej verejnosti [61]. Nesmieme zabudnúť ani na svetoznámeho Blaisa Pascala, žijúceho v rokoch 1623 až 1662, ktorý už v roku 1642 zostrojil prvý prevádzky schopný mechanický kalkulátor [7]. V tomto období 1709 až 1782 žil aj Jacques de Vaucans, veľmi známy hodinársky majster, ktorý v roku 1737 zostrojil mechanických hudobníkov hrajúcich na flaute a tamburíne, alebo jeho verejne najznámejší výtvor mechanickú kačicu poháňanú zotrvačníkom, mávajúcu krídlami, ktoré boli zložené s viac ako 400 navzájom prepojených
22
KAPITOLA 1. ÚVOD
K
U
Obr. 1.3: Lietajúci člnok pre potreby tkacieho stroja [46]
A K
Ž
Á
komponentov [79]. Počas 18. storočia sa začína prebúdzať aj priemysel, a to hlavne na území koloniálneho Anglicka. Toto obdobie sa nazýva aj ako prvá technická revolúcia, ktorej nástup bol podporený mnohými pokročilými vynálezmi uľahčujúcimi prácu hlavne v odevnom priemysle. Medzi učencov, ktorí sa podielali na tvorbe týchto vynálezov, sa radí John Kay, žijúci v rokoch 1704 až 1764, ktorý v roku 1733 vynašiel tzv. lietajúci tkací člnok, za pomoci ktorého bolo možné čiastočne automatizovať tkací stroj [42]. Neskôr jeho myšlienku prepracoval James Hargreaves, žijúci v rokoch 1720 až 1778, ktorý v roku 1764 svojím vynálezom plne autonómneho tkáčskeho stroja (Spinning Jenny) radikálne zvýšil produkciu v tkáčskom odvetví [22, 26, 48]. Medzi pokrokových bádateľom svojej doby patrí aj japonský učenec Hisashige Tanaku, žijúci v rokoch 1799 až 1881, ktorý pre cisársky dvor tvoril precízne mechanické výtvory imitujúce ľudské pohyby a prácu [33]. Za zakladateľa konceptu programovateľného počítača považujeme Charlesa Babbagea, žijúceho v rokoch 1791 až 1871, ktorý položil základy konštrukcie prvých mechanických programovateľných počítačov [28]. K bádateľom s prínosom pre neskoršie pokrokové výtvory z oblasti techniky sa radí aj Nikola Tesla, žijúci v rokoch 1856 až 1943, ktorý už v roku 1898 predviedol na Madison Square Garden prvý diaľkovo ovládaný mechanizmus, konkrétne sa jednalo o model lode [21].
M
A
-S
LE
P
V stručnom historickom úvode má svoje miesto aj autor pojmu robot. Jeho tvorcom bol český spisovateľ Karel Čapek, žijúci v rokoch 1890 až 1938, ktorý ho prvýkrát použil v roku 1921 vo svojej divadelnej hre R.U.R. (Rossumovi Univerzálni Roboti), kde spisovateľ varuje pred možným zneužitím techniky a vedy [6]. Údajne pri tom vychádzal zo slovenského slova “robiť”, nakoľko čeština dané slovo nepoužíva. Pre dnešnú robotiku je dôležitý aj prínos Alana Mathisona Turinga, žijúceho v rokoch 1912 až 1954, ktorého právom považujeme za zakladateľa modernej informatiky, známy je aj ako autor tzv. Turingovho testu, ktorý slúži na preverenie inteligencie vytvoreného systému [40]. Dôležitý je aj prínos Johna von Neumanna, žijúceho v rokoch 1903 až 1957, ktorý v roku 1945 vypracoval dodnes platné základné princípy fungovania moderných počítačov [44]. Na základe vyššie uvedených konceptov potom Konrad Zuse, žijúci v rokoch 1910 až 1995, zostrojil v roku 1941 prvý programovateľný číslicový počítač Z3 [80]. Za zakladateľa kybernetiky považujeme Norberta Wienera, žijúceho v rokoch 1864 až 1964,
1.1. STRUČNÁ HISTÓRIA ROBOTIKY
23
A K
Ž
Á
K
U Obr. 1.4: Hisashige Tanaku a jeho servírovací čajový humanoidný automat [58]
LE
P
M
A
-S
ktorý vypracoval jej základy, a tak umožnil jej neskorší prudký rast [32]. Pri vymenúvaní základov a predpokladov, ktoré nám neskôr umožnili vznik modernej robotiky, je dôležité spomenúť aj vývoj v tej dobe prebiehajúci na Massachusetts Institute of Technology MIT, kde v rokoch 1949–1953 zostrojili prvý čislicovo riadený (numerical control, NC) obrábací stroj [45]. Svoje špecifické miesto v histórii robotiky určite patrí aj jednému zo zakladateľov Sci-Fi žánru, Isaacovi Asimovovi (1920–1992), ktorý svojimi dielami inšpiroval celé generácie čitateľov a pojem robot sa aj vďaka nemu vryl do širokého povedomia [11]. Tak ako aj Asimovovi tak aj Georgemu Devolovi (1912–2011) patrí významné miesto v histórii robotiky. Je totiž tvorcom prvého priemyselného robota (tento pojem sa zaviedol až neskôr) s názvom Unimate (UNIversal autoMATion), ktorého patentoval v roku 1954 spolu s J. Engelbergom (jeho investor). Z tohto dôvodu je George Devol považovaný za zakladateľa modernej robotiky ako takej. Od tohto bodu sa začala expanzia priemyselných robotov na základe konceptu Unimate do celého sveta. Ku dnešnému dňu nám neostáva nič iné, iba konštatovať terajší celosvetový rozmach robotiky a do budúcnosti je zrejmé, že tento trend sa bude iba zvyšovať.
1.1.1
Počiatky a súčasný stav robotiky u nás
Tak ako v celom svete, tak aj na území bývalého Československa sa po úspechu Devolovho priemyselného robota Unimate začalo intenzívnejšie venovať priemyselnej robotike. Prvou robotickou inštaláciou na našom území bolo v roku 1967 nasadenie priemyselného robota
24
KAPITOLA 1. ÚVOD
U
(a)
(b)
K
Obr. 1.5: Karel Čapek R.U.R. [55]
Á
A K
Ž
Unimate dovezeného zo svetovej výstavy EXPO 67 spolu s československým poloautomatickým revolverovým sústruhom RB 25 [36].
M
A
-S
Ďalší vývoj robotiky na našom území od tejto udalosti už bol na vtedajšie pomery veľmi dynamický. Hospodárstvo bolo totiž plánované vopred na obdobia nasledujúce každých 5 rokov tzv. päťročnice. Ak sa do roku 1967 na našom území v robotike nič podstatného neudialo, v rámci nasledujúcej pätročnice už áno. V roku 1973 boli vyrobené prvé dva československé roboty QJN 020. Vznikli zo spolupráce VUSTE Praha (Výskumný ústav strojárenské technológie a ekonomiky) a VUTS Brno (Výskumný ústav tvářecích strojů a tváření). Prvé naše roboty mali nosnosť 20 kg, pri pomalej rýchlosti 40 kg a presnosť polohovania ±0, 15 mm. Vyrobené boli dva exempláre. Jeden využívali v DESTA Domažlice a druhý v Považských strojárňach. Tento vývoj bol podporený hlavne udelením súhlasu nášho smerovania bývalým ZSSR v roku 1972, a následným zriadením výskumných a vývojových pracovísk v danej oblasti, pre nadchádzajúce obdobia—päťročnice.
LE
P
Nakoľko priemysel, ako už bolo uvedené, bol v tom čase u nás vopred plánovaný, stanovilo sa, že predmetom záujmu vo vývoji našich robotov budú roboty 1. a 2. generácie so štyrmi až šiestimi stupňami voľnosti a riadiacim systémom, ktorý bolo možné podľa požiadaviek preprogramovať. Plánovalo sa využitie spojitého pohybu (continual path, CP riadenie) a nespojitého pohybu (point to point, PTP riadenie) koncového člena robota (podrobnejšie v Kap. 1.3.5). Využitie týchto plánovaných robotov bolo plánované hlavne pri plošnom a objemovom zváraní, výrobe súčiastok z plastu a stavebného materiálu, tepelnom spracovaní, montáži v strojárstve a elektrotechnike, pri meraní a kontrole či pri povrchových úpravách, napr. farbení. Takisto sa uvažovalo aj o robotizácií textilného, obuvníckeho a farmaceutického priemyslu, sklárstva či potravinárskej výroby. Hlavným riešiteľským pracoviskom bol v tej dobe určený VUKOV (Výskumný ústav kovopriemyslu) Prešov, ktorý od začiatku 70-tych rokov zabezpečoval výskum, vývoj, výrobu a technologické aplikácie prvých československých priemyselných robotov a manipulátorov. Vznikol tu prvý československý, neskôr sériovo vyrábaný, priemyselný robot
1.2. ROBOTIKA AKO TECHNICKÁ DISCIPLÍNA
25
PR 16-P. Popri jeho konštruovaní boli pripravované aj motivačné (školské) roboty s pracovnými menami “Mirko” a “Vasiľko”. V tomto období už boli dokončené práce na spomínanom PR 16-P. Sériovú výrobu PR 16-P zabezpečoval ZPA Prešov od roku 1981. Prvá aplikácia tohto typu prebehla v AZNP Mladá Boleslav do hutníckej prevádzky zlievarne s vysokou okolitou teplotou, kovovými výparmi, kovovým prachom s výraznými vibráciami okolitého prostredia.
U
Ž
Á
K
V 70. a 80. rokoch sa postupne v malých sériách vyrábalo asi dvadsať typov priemyselných robotov a manipulátorov. Medzi najvýznamnejšie patrili: PR 16-P, PR 32-E, PROB 10 (ČZM Strakonice), PROB 20, APR 2,5, APR 20, APR 40, OJ 10, IBR8 (TOS Rakovník), AM1D (VÚMA Nové Mesto nad Váhom), AM 5, MTL 10, AM 20, M 40, M 63, AM 80, MPH 1, MX (VÚMA Nové Mesto nad Váhom), SPR 5, SPR 10, UM 160 a celý rad účelových manipulátorov.
A K
Po rozpade bývalého Československa sa robotický vývoj prakticky zastavil a jediné aktivity vtedajších firiem sa obmedzili len na zachovanie servisu starých robotov. Za zmienku stojí aktivita Košickej spoločnosti ZŤS VVÚ Košice a.s. (Výskumno–vývojový ústav), ktorá v roku 1993 získala kontrakt na dodávku TES—robotického systému pre presun a presné polohovanie kryomagnetov (valcové telesá dlhé šestnásť metrov s hmotnosťou 34 ton) pre Európske centrum jadrového výskumu v Ženeve (CERN). Vysoká spoľahlivosť a kvalita všetkých nasadených TES-ov vyústila do udelenia zlatej plakety Golden Hadron pre ZŤS VVÚ KOŠICE ako najlepšieho dodávateľa CERN-u v oblasti strojových zariadení. Táto spoločnosť stojí aj za ďalšími zaujímavými robotickými konštrukciami, ako je robotický systém na zneškodňovanie výbušných systémov pod autami, dodávkami takmer všetkých typov robotov od ťažkých hydraulických teleoperátorov a stĺpových robotov, cez mobilné teleoperátory/roboty, až po simulátory, trenažéry a samohybné robotické dopravné logistické systémy tzv. robocary. Ďalší zaujímavý robotický produkt je od spoločnosti slovenskej Way Industries a.s., ktorá od roku 1999 realizuje vývoj diaľkovo ovládaného odmínovacieho systému BOŽENA. Okrem týchto robotických systémov netreba zabudnúť na špeciálne robotické systémy nasadzované v atómových elektrárňach od VUJE, a.s. (Výskumný ústav jadrových elektrárni) a ich systémy Konar, Telekar a Unikop.
Robotika ako technická disciplína
LE
P
M
A
-S
1.2
Ako už bolo v predchádzajúcich kapitolách uvedené, robotika je technická disciplína s dlhou históriou a širokým poľom pôsobnosti. Robotika hlavne v poslednom období výrazne napomohla celosvetovému technickému pokroku. Jej výrazný rast v druhej polovici 20. storočia a začiatkom 21. storočia nebol náhodný. Zasahuje takmer do všetkých odvetví ľudského pôsobenia. Na základe týchto argumentov môžeme robotiku definovať nasledovne [15, 16, 72]:
26
KAPITOLA 1. ÚVOD
(b)
(c)
Obr. 1.6: Prvý priemyselný robot: Unimate [60]
Á
K
U
(a)
1.2.1
A K
Ž
Robotika je technická disciplína o riadení mechanických systémov, manipulátorov, robotov a iných strojov.
Robotika a jej vzťah k ostatným odborom
-S
Robotika ako moderná technická disciplína úzko spolupracuje s ostatnými vednými odbormi. Na základe tejto úzkej spolupráce je možné robotiku rozdeliť do troch základných skupín, ktoré nám znázorňujú, aké väzby moderná robotika na ostatné vedné odbory má [72]: • Teoretická robotika, ktorá má za úlohu hľadať princípy, možnosti a obmedzenia a spolupracuje s napr. biológiou, psychológiou, etológiou, matematikou, fyzikou.
M
A
• Experimentálna robotika, ktorá má za úlohu overovať novo navrhnuté princípy, stavať modely a spolupracovať s kybernetikou, umelou inteligenciou a ostatnými potrebnými inžinierskymi disciplínami.
1.2.2
Dôvody potreby robotiky
LE
P
• Priemyselná robotika, ktorá má za úlohu navrhovať konkrétne riešenia, či už univerzálne alebo na mieru podľa požiadaviek a konštruovať a následne nasadzovať roboty do priemyslu. Úzko spolupracuje s teóriou riadenia, elektronikou, strojárenstvom a automatizáciou.
Snaha uľahčiť si namáhavú prácu je stará ako ľudstvo samé. V modernom chápaní priemyselnej výroby, kde sú podstatnými ukazovatele efektivity, kvality a kvantity práce, spolu s rastúcimi nárokmi na odbornú a technickú zdatnosť zamestnancov, sú dôvody zavádzania robotiky zrejmé. V krátkosti si ich môžeme zhrnúť nasledovne [72]: • Znižovanie priamej ľudskej práce potrebnej vo výrobe (zdraviu škodlivé prostredie, monotónna činnosť a iné negatívne dopady na ľudské zdravie).
1.2. ROBOTIKA AKO TECHNICKÁ DISCIPLÍNA
27
K
U Ž
Á
Obr. 1.7: Prvé robotizované pracovisko u nás: Unimate spolu s poloautomatickým revolverovým sústruhom RB 25 [36]
A K
• Skracovanie času výrobného cyklu daného produktu, nepriame znižovanie ceny daného pruduktu, vyššia konkurencieschopnosť. • Zvyšovanie efektivity a produktivity vykonávanej práce, viacsmenná prevádzka, vyššie výrobné takty a iné.
-S
• Zvyšovanie kvality výrobného procesu s ohľadom na znižovanie vplyvu ľudského faktoru. • Zvyšovanie kvantity počty výrobkov (so snahou zachovať kvalitu).
A
• Nasadzovanie modernej automatizácie na podporu vyššie uvedených kritérií.
M
LE
P
• Potreba vyššej odbornej kvalifikácie pracovnej sily, na riadenie, obsluhu a servis robotov—už nepostačuje základné vzdelanie, preto vzniká dopyt po vyššej odbornej kvalifikácii, a tým nepriamo aj zvyšovanie odbornej zdatnosti v rámci celého podniku. • Zníženie počtu zamestnancov priamo vo výrobe, znovu nepriame znižovanie ceny daného pruduktu, vyššia konkurencieschopnosť. • Rôzne iné technické, ekonomické a sociálne hľadiská, spojené s výrobou.
Tak ako všade, aj tu je potrebné okrem prínosov zvážiť aj negatíva, najmä v podobe nahrádzania menej kvalifikovanej ľudskej práce prácou strojovou. História nám však ukazuje, že tieto sociálne aspekty sú riešiteľné tak, ako to bolo príchodom anglických manufaktúr v 16. storočí, prvej technickej revolúcie v 18. storočí, či príchodom Fordovej hromadnej priemyselnej výroby začiatkom 20. storočia.
28
KAPITOLA 1. ÚVOD
1.2.3
Pojem „robot“
Presná definícia pojmu robot nie je pevne stanovená. V zdrojoch sa uvádzajú rôzne poučky, ktoré sa však dajú zhrnúť do jednej univerzálnej definície—robot predstavuje zariadenie, ktoré sa vyznačuje nasledovnými vlastnosťami [37]:
U
• Manipulačná schopnosť, t.j. schopnosť uchopovať objekty, prenášať ich a vykonávať na nich úpravy, prípadne vykonávať montážnu činnosť a manipulovať s nástrojmi. Chápe sa to v zmysle pracovať s nimi, teda pracovať ako výrobné zariadenie (tzv. technologický robot).
Á
K
• Univerzálnosť, čo znamená, že zariadenie neslúži iba k jednému účelu, ale po zmene programu, uchopného zariadenia alebo nástroja, je ho možné použiť aj pre iné účely a za iných podmienok, ako bol pôvodne navrhnutý.
A K
Ž
• Väzba s prostredím, t.j. možnosť vnímania pomocou snímačov napodobujúcich zmysly človeka. Sú to rôzne väzby, napr.: akustická (sluch), vizuálna (zrak), dotyková (hmat) ale aj iné, ktoré človek vnímať nedokáže (ultrazvuk, infračervené a ultrafialové spektrum svetla, . . . ). • Autonómnosť chovania, t.j. schopnosť automatického vykonávania zložitých operácií podľa určitého programu. Dôležitá je hlavne flexibilita pri programovaní, či už človekom alebo robotom samotným.
A
-S
• Priestorová sústredenosť jednotlivých zložiek (tzv. integrovanosť) v rámci možností do jediného celku. Netýka sa to však riadiaceho systému, ktorého dobrou vlastnosťou je práve modularita. Dôsledkom integrovanosti je okrem iného i ľahká manipulácia pri transporte. V niektorých prípadoch je mobilita robota jednou z konštrukčných požiadaviek.
M
Na základe týchto vlastností potom môžeme definovať pojem robot, tak ako to uviedol Ivan Havel vo svojej práci [31]:
1.2.4
Pojem „priemyselný robot“
LE
P
“Robot je automatický alebo počítačom riadený integrovaný systém, schopný autonómnej, cieľovo orientovanej interakcie s prirodzeným prostredím, podľa inštrukcií od človeka. Táto interakcia spočíva vo vnímaní a rozpoznávaní tohto prostredia a v manipulovaní s predmetmi, popr. v pohybovaní sa v tomto prostredí.”
Na základe vyššie uvedených kritérií a definícii pojmu robot (Kap. 1.2.3), môžeme definovať pojem, čo je to priemyselný robot. Pre jeho definíciu použijeme jej najčastejšie používaný tvar uvedený Beljaninom [12]:
“Priemyselný robot je autonómne fungujúci stroj—automat, ktorý je určený k reprodukcii niektorých pohybových a imitácii duševných funkcií človeka pri vykonávaní pomocných a základných výrobných operácií bez bezprostrednej účasti človeka a ktorý
1.3. ZÁKLADNÉ ROZDELENIE PRAM
29
je k tomuto účelu vybavený niektorými jeho schopnosťami (sluchom, zrakom, hmatom, pamäťou a podobne), schopnosťou samovýuky, samoorganizácie a adaptácie, t.j. prispôsobeniu k danému prostrediu.” Ako vidieť, priemyselné roboty sú len podskupinou kategórie všeobecných robotov, ktorých nasadenie je vyhradené úzko len pre potreby priemyslu.
Pojem „priemyselný manipulátor“
U
1.2.5
Á
K
Po zadefinovaní pojmu priemyselný robot nám ostáva ešte skupina mechanických zariadení uľahčujúcich prácu v priemysle, ktoré však nespĺňajú kritéria na priemyselného robota. Tieto zariadenia nazývame priemyselnými manipulátormi a definujeme ich ako [77]:
Ž
„Priemyselný manipulátor je manipulačné zariadenie vybavené chápadlami, alebo nástrojmi, pracujúce vo viacerých pohybových osiach, v pevne stanovenom programe.“
A K
Na záver treba uviesť, že priemyselné roboty a manipulátory tvoria špecifickú skupinu priemyselných strojov, ktorú označujeme ako PRaM. Toto označenie budeme používať v nasledujúcich kapitolách pri ich popise.
Základné rozdelenie PRaM
A
1.3
-S
K základným pojmom a úvodom, ktoré treba naštudovať pre úspešné zvládnutie predmetu Robotika, je nutné oboznámiť sa aj so skriptami Robotika— Návody na cvičenia, Kap. 1. Základy maticového počtu, 2. Úvod do Matlabu a 4. Základné oboznámenie sa so SimMechanics [74].
LE
P
M
Priemyselné roboty a manipulátory (PRaM) rozdeľujeme podľa množstva kritérií. Historicky prvé rozdelenie do skupín bolo podľa toho, ako sa postupne vyvíjala a menila definícia pojmu “robot”, ktorá zohľadňovala jeho vlastnosti, možnosti a konštrukčné riešenia. Toto delenie sa časom ukázalo ako nepostačujúce, preto sa zaviedlo nové delenie, ktoré sa zameralo na vzájomné odlišnosti manipulátorov a robotov z hľadiska riadenia a programovania. Jeho podoba je nasledujúca [64]:
• Manipulátor alebo aj jednoúčelový manipulátor, je manipulátor s pevným programom.
• Synchronný manipulátor je “človek v slučke”, z anglického man in the loop, známy ako aj master–slave manipulátor (master, nadradený—človek a slave, podradený— manipulátor). • Robot je manipulátor s pružným (meniteľným) programom. • Adaptivný robot je robot reagujúci na zmeny pracovného prostredia.
30
KAPITOLA 1. ÚVOD
A K
Ž
Á
K
U Obr. 1.8: Základné rozdelenie PRaM
-S
• Kognitívný robot je robot s určitou—ale bližšie nedefinovanou—mierou umelej inteligencie.
Jednoúčelové manipulátory
M
1.3.1
A
V poslednej dobe sa však preferuje všeobecnejšie delenie podľa účelu využitia daného robota alebo manipulátora, tak ako je to uvedené na Obr. 1.8 a podrobnejšie rozpísané v nasledujúcich podkapitolách.
LE
P
Jednoúčelové manipulátory sú zväčša prídavným zariadením obsluhovanej výrobnej linky (technológie), konštrukčne aj vyhotovením spolu súvisia. Pohyby vykonávané jednoúčelovými manipulátormi sú jednoduché, ako napr. výmena nástrojov alebo polovýrobkov, premiestňovanie polovýrobkov (vyberanie, vkladanie). Dobrým príkladom takého manipulátora je podávač nástrojov v číslicovo riadených (NC) výrobných strojoch, umiestnený medzi zásobníkom nástrojov a vretenom (suportom). Synchrónne manipulátory (teleoperátory) jedno-, ale aj viacúčelové, sú manipulačné zariadenia ovládané človekom. Zosilňujú sily, resp. moment a pohybové možnosti operátora. Rozdiely medzi jedno- a viacúčelovými manipulátormi je len v konštrukčnom vyhotovení. Medzi jednoúčelové manipulátory zaraďujeme podávacie mechanizmy, manipulačné zariadenia, ovládané priamo človekom (synchrónne manipulátory), ale aj manipulátory riadené programom. Jednoúčelovosť sa chápe z niekoľkých hľadísk ako: • Obmedzený počet stupňov voľnosti, prispôsobený danej aplikácii nutných po-
1.3. ZÁKLADNÉ ROZDELENIE PRAM
31
hybov. • Obmedzený rozsah pohybov, tiež väčšinou prispôsobený danej aplikácii. • Obmedzené možnosti riadiaceho systému, s minimálnou možnosťou zmien.
1.3.2
Univerzálne manipulátory
Ž
Á
K
U
Majú oproti jednoúčelovým manipulátorom väčší rozsah manipulačných možností, ktoré je možné využiť podľa spôsobu nasadenia. Použiteľnosť univerzálnych manipulátorov nie je obmedzená typom výrobných strojov, ani súčiastok. Rozhodujúce v ich prípade sú predovšetkým kinematické parametre (počet stupňov voľnosti, rozsahy pohybov, presnosť polohovania v závislosti od maximálneho zaťaženia, rýchlosť polohovania, atď.). Ich univerzálnosť zaručujú vymeniteľné jednoúčelové chápadlá, ktorými manipulujú s predmetmi. Dajú sa použiť na viacerých pracoviskách alebo aj na súčasnú obsluhu viacerých strojov.
A K
Univerzálne manipulátory majú teda vlastné programové riadenie, ktoré komunikuje s riadiacim programom výrobnej linky. Pohonom a konštrukčne sú nezávislé na obsluhovanom výrobnom stroji. Medzi univerzálne manipulátory patria: • Univerzálne synchrónne manipulátory, nazývané tiež ako teleoperátory.
-S
• Programovateľné manipulátory, riadené programom analógovým alebo číslicovým.
A
Podľa miery inteligencie sa programovateľné manipulátory rozdeľujú do troch vývojových generácií. Toto delenie však neznamená, že jedna generácia automaticky vystrieda druhú. Ide o spojitý vývoj s prekrývaním. Ich nasadenie zaručuje ekonomická výhodnosť “nižších” generácií manipulátorov pri nasadení vo výrobe [67]:
LE
P
M
• Manipulátory s pevným programom označované aj ako 1. generácia PRaM. Základom je, že program sa nemôže zmeniť v priebehu činnosti (čiže cyklus za cyklom sú opakované rovnaké úkony a pohyby). Riadiaci systém je veľmi jednoduchý, sú to vlastne jednoduché programovateľné manipulátory. Prvá generácia je definovaná v skratke podľa jej základných pohybov, na ktoré je určená ako robot typu pohybu “zdvihnúť a umiestiť” (pick and place). Modifikovaná 1,5 generácia (nachádza sa vlastnosťami medzi 1. a 2. generáciou) začína využívať pre svoju činnosť už aj senzory a za pomoci nich vykonáva funkciu “urob a over” (make and test), ktorá nám v skratke výstižne definuje 1,5 generáciu.
• Manipulátory voľne programovateľné označované aj ako 2. generácia PRaM. Už obsahuje možnosť zmeny programu počas svojej činnosti a to v ktoromkoľvek cykle (jedná sa o tzv. vetvenie programu). Sú to už priemyselné roboty. ktoré môžu obsahovať adaptívne riadenie. K tejto funkcii však potrebujú oveľa viac senzorov a na vyššej kvalitatívnej úrovni ako manipulátory 1,5 generácie, sú to senzory vonkajšie slúžiace na zisťovanie optických, hmatových a iných informácií, tak aj vnútorné
32
KAPITOLA 1. ÚVOD ako sú snímače a senzory tlaku, polohy, zrýchlenia a iných informácii nevyhnutných k adaptívnemu riadeniu. Obsahujú oveľa zložitejší riadiaci program a riadiacu jednotku, čo umožňuje zvládať koordináciu označovanú “oko–ruka” (eye–hand), ktorá v skratke danú generáciu výstižne definuje. Modifikovaná 2,5 generácia (nachádzajúca sa vlastnosťami medzi 2. a 3. generáciou) predstavuje priemyselné roboty, ktoré vedia vykonávať komplexné “perceptuálno–motorické”, čiže vnímateľno– pohybové funkcie.
A K
Ž
Á
K
U
• Inteligentné (kognitívne) roboty označované aj ako 3. generácia PRaM. Na rozdiel od robotov 2. generácie rádovo zvyšujú zložitosť a objem riadiaceho systému a obsahujú aj základné prvky umelej inteligencie. Tieto inteligentné roboty už nie sú priamo určené len k náhrade fyzickej činnosti človeka, ale slúžia aj pre čiastočnú automatizáciu ľudskej intelektuálnej činnosti. Základnou vlastnosťou inteligentných robotov je ich schopnosť učiť sa a adaptovať sa. Majú teda schopnosť autonómneho riešenia komplexnejších úloh. Toto autonómne riešenie úloh je v poslednej dobe dôležité napr. v kozmickom výskume, kde sa riadiaci systém robota musí samostatne rozhodovať, nakoľko ľudská spätná väzba má neprijateľné dlhé dopravné oneskorenie z dôvodu oneskorenia rádiových vĺn (sonda Curiosity na Marse). Tretia generácia robotov má už aj základnú umelú inteligenciu pre diskrétnu manipuláciu so súčiastkami, ktorá sa využíva hlavne pri montážnych prácach. Posledná 3.5 generácia sú roboty s autonómnym spoločenským chovaním podobným človeku. Roboty si vyberajú cieľ svojej práce samy. Nakoľko je to však ešte len rozvíjajúca sa etapa vývoja, sa ešte táto definícia upresňuje a tvorí.
-S
1.3.3
Podľa kinematickej štruktúry
M
A
Ďalším zo základných a logických delení, ktoré sa týka mechanickej časti robota, je delenie podľa zvolenej kinematickej štruktúry na základe súradnicového systému (SS) (Obr. 1.10), v ktorom robot pracuje, alebo podľa druhu použitého kinematického reťazca. Podľa SS ich delíme na:
LE
P
• Kartézske (pravouhlé) súradnice, tvoria kinematické štruktúry, ktoré vykonávajú pohyb po troch lineárnych na seba kolmých osiach. Pracovný priestor takého robota má tvar hranola. Patria sem takmer všetky roboty portálového typu. • Cylindrické (valcové) súradnice, tvoria také kinematické štruktúry, kedy jedna os je os rotácie a zvyšné dve osi nám slúžia na lineárne posuvy v dvoch osiach. Tento pracovný priestor má tvar podkovy s obdĺžnikovým alebo štvorcovým prierezom.
• Sférické (polárne) súradnice, tvoria kinematické štruktúry definované dvomi rotačnými osami a jednou osou pre lineárny posuv.
• Uhlové (angulárne) súradnice, tvoria také kinematické štruktúry, ktoré sú definované rotačným pohybom vo všetkých troch osiach. Takto vzniknutý pracovný priestor má nepravidelný tvar daný kinematikou a vzdialenosťou jednotlivých osí od koncového člena.
1.3. ZÁKLADNÉ ROZDELENIE PRAM
33
• Netypické konštrukcie, u ktorých je výsledná konečná kinematika kombináciou vyššie uvedených možností. a podľa druhu použitého kinematického reťazca na [67]: • Sériové roboty, s otvoreným kinematickým reťazcom manipulátora (open-loop chain).
K
U
• Paralelné roboty, s uzavretým kinematickým reťazcom manipulátora (closed-loop chain). • Hybridné roboty, kombinujúce oba typy reťazcov.
Á
• Netypické roboty, tieto poznáme:
A K
Ž
– Hexapody (nazývané aj ako Stewartova plošina), uvažujme, že teleso v priestore má 6 stupňov voľnosti. Ak upustíme od zaužívaného myslenia v trojrozmernom priestore s kartézskym SS, tak polohu nosiča nástroja môžeme riadiť pomocou šiestich paralelných lineárnych podpier s premenlivou dĺžkou, kĺbovo uložených ako na nosiči nástroja, tak aj na ráme stroja. Z tejto myšlienky vznikol názov najstaršej známej koncepcie stroja s paralelnou kinematickou štruktúrou—hexapod (šesťnožec),
-S
– “W” štruktúry, využívajú pre riadenie pohybu vreteníka vo zvislej rovine dve pohonové osi s lineárnymi motormi, pričom väzba vreteníka na rám stroja je riešená pomocou ojnicového mechanizmu s usporiadaním ojníc v základnej polohe (v strede symetrie pracovného priestoru) v tvare písmena “W”,
LE
P
M
A
– paralelogramové štruktúry, umožňujú riadiť polohu nosiča nástroja v priestore pomocou troch pohonových osí. Paralelogramová koncepcia linapodu využíva v podstate princíp hexapodu, ale s konštantnou džkou prútov. Tejto štruktúre sa hovorí aj “hexaglide” (z anglického glide = kĺzať). Šesť prútov je usporiadaných do troch dvojíc (nožníc), ktoré sú klbovo uložené na plošine (nosiči nástroja) i na pohyblivej časti lineárnych motorov. Plošina si pri pohybe zachováva vodorovnú polohu. Lineárne pohony je možné nahradiť valivým skrutkovým mechanizmom (pozri 4.3.2),
– planárne (selective compliance assembly (articulated) robot arm, SCARA) štruktúry, sú zvlášť vhodné pre operácie nad rovinou, v ktorých má značný rozsah, a je spravidla veľmi rýchly, pretože 3 otočné osy nepracujú proti gravitácii, – planárne redundantné manipulátory, riešené za pomoci 4 motorov upevnených na rám konajúce translačný pohyb vo vedeniach upevnených do rámu (ČVUT SlidingStar), – a iné.
34
KAPITOLA 1. ÚVOD
Á
K
U Podľa počtu stupňov voľnosti
A K
1.3.4
Ž
Obr. 1.9: Technologický robot firmy Reis Robotics s plazmovou hlavicou [67]
Ďalšie špecifické delenie je podľa počtu stupňov voľnosti [67]:
-S
• Univerzálny robot – má 6 stupňov voľnosti, ktoré nám jednoznačne definujú vo zvolenom kartézskom súradnicovom systéme polohu a orientáciu manipulovaných objektov. • Redundantný robot – má viac ako 6 stupňov voľnosti, ktoré sú využité ku väčšej voľnosti pre obchádzanie možných prekážok, alebo pre pohyb v stiesnenom priestore.
Podľa softvérových vlastností
Základné rozdelenie PRaM podľa ich softvérových vlastností [67]:
LE
P
1.3.5
M
A
• Deficitný robot – má menej ako 6 stupňov voľnosti (napr. niektoré špeciálne roboty pracujúce len v rovine tzv. planárne SCARA štruktúry, majúce 3–4 stupne volnosti, bližšie uvedené v Kap. 1.3.3).
• Programovateľné roboty vybavené spojitým (continual path, CP) riadením.
• Programovateľné roboty vybavené nespojitým (point–to-point, PTP alebo multipoint, MP) riadením. • Programovateľné roboty (manipulátory) bez servoriadenia. • Ručné manipulátory. Základnou vlastnosťou CP riadenia je jeho schopnosť kopírovať manipulátorom spojito ľubovoľnú krivku. Modernejšie roboty túto činnosť vykonávajú automaticky tak, že
1.3. ZÁKLADNÉ ROZDELENIE PRAM
35
Á
K
U (a) Kartézsky (pravouhlý) SS
(b) Cylindrický (valcový) SS
A K
Ž M
A
-S (c) Sférický (polárny) SS
(d) Uhlový (angulárny) SS
LE
P
Obr. 1.10: Rozdelenie PRaM podľa zvolenej kinematickej štruktúry na základe SS [67]
volia prediktívne dráhu s využitím aktuálnych polohových a iných informácií získaných zo senzorov. Dráha sa prepočíta za pomoci interpolátorov, ktoré udávajú funkčné závislosti medzi pohybmi v smere jednotlivých osí. Pri PTP riadení je pohyb robota postupne realizovaný diskrétne z počiatočného bodu do koncového. Ide o interpoláciu obecnej krivky cez veľký počet nie veľmi vzdialených bodov, medzi ktorými sa pohybuje lineárne. Nahradením interpolácie cez priamku u PTP riadenia na interpoláciu zložitejších geometrických útvarov, ako sú kružnice, štvorce, viacuholníky a iné vzniká MP riadenie.
36
KAPITOLA 1. ÚVOD
A K
Ž
Á
K
U Obr. 1.11: Univerzálny robot [67]
1.3.6
Podľa typu vykonávaných úkonov
-S
Podľa typu úkonov, ktoré robot vykonáva pri svojej činnosti ich delíme na [67]:
A
• Priemyselný robot manipulačný—vykonávajúci manipulačné úkony, ako sú transportné operácie, podávanie a iné.
P
M
• Priemyselný robot technologický—slúžiaci na prenášanie technologických zariadení alebo ich výkonných časti, ako sú časti pre zváranie, montáž, nanášanie povlakov a iné.
1.3.7
Podľa nosnosti
LE
• Priemyselný robot špeciálny—jeho úlohou je realizácia stanovenej neštandardnej operácie na danej výrobnej alebo inej technologickej jednotke.
Podľa udanej nosnosti rozdeľujeme PRaM nasledovne [67]:
1.3.8
Podľa presnosti polohovania
Podľa výslednej presnosti polohovania rozdeľujeme PRaM nasledovne [67]:
1.3. ZÁKLADNÉ ROZDELENIE PRAM
37
A K
Ž
Á
K
U Obr. 1.12: Manipulačný priemyselný robot [67]
M
A
-S
Tabuľka 1.1: Rozdelenie PRaM podľa nosnosti v [kg] Názov PRaM Symbol Nosnosť min. Nosnosť stred Nosnosť max. Veľmi ťažké G 300 1000 3000 Ťažké T 30 100 300 Stredné S 3 10 30 Ľahké L 0,3 1 3 Veľmi ľahké M 0,03 0 0,3
1.3.9
LE
P
Tabuľka 1.2: Rozdelenie PRaM podľa presnosti polohovania Trieda PRaM Názov PRaM Rozsah (mm) I. veľmi presné ± 0,01 II. so zvýšenou presnosťou ± 0,1 III. s normálnou presnosťou ±1 IV. s nízkou presnosťou viac než ± 1
Podľa negeometrických a geometrických vlastností
Je zrejmé, že každý PRaM má na základe svojej konštrukcie a účelu použitia rôznu presnosť, ktorá vplýva na jeho kvalitatívne vlastnosti. Presnosť (podrobnejšie v Kap. 2.1.4) môže byť ovplyvnená rôznymi parametrami. Z pohľadu delenia ich možno rozdeliť do dvoch základných skupín: • Negeometrické vlastnosti, spôsobujúce nepresnosti a chyby PRaM, ako sú:
38
KAPITOLA 1. ÚVOD – poddajnosť (compliance), čo je vlastne opak tuhosti (stiffness), – vôľa v prevodoch (gear backlash), – rozlíšenie snímačov (sensor resolution), – teplotná rozťažnosť (temperature-related expansion), – vôľa vo vedeniach (linkage wobble),
U
– a iné.
• Geometrické vlastnosti, spôsobujúce nepresnosti a chyby PRaM, ako sú:
K
– rozmery ramien,
Á
– uhly medzi jednotlivými kĺbmi, – poloha nuly snímačov,
Ž
– a iné.
A K
Ak napríklad máme polohu chápadla vyjadrenú ako funkciu parametrov modelu, môžeme derivovaním získať citlivosti polohy chápadla na zmeny parametrov. Následne za pomoci odhadu nepresnosti parametrov potom môžeme výslednú chybu polohy chápadla odvodiť, a z nej vypočítať (pripadne optimalizovať) presnosť manipulátora.
Podľa pohybu v manipulačnom priestore
-S
1.3.10
Podľa pohybu v manipulačnom priestore rozdeľujeme priemyselné roboty a manipulátory [67]:
• Pohybujúci sa na ploche.
Podľa druhu použitého pohonu
Podľa druhu použitého pohonu rozdeľujeme PRaM: • Elektrický pohon. • Hydraulický pohon. • Pneumatický pohon. • Kombinovaný pohon.
LE
1.3.11
P
• Pohybujúci sa v priestore.
M
A
• Pohybujúci sa po priamke (kružnici).
1.3. ZÁKLADNÉ ROZDELENIE PRAM
1.3.12
39
Podľa technologického určenia a konštrukčného vyhotovenia
Podľa technologického určenia a konštrukčného vyhotovenia rozdeľujeme PRaM na: • Univerzálne (kompaktné). • Stavebnicové (modulárne).
K
U
• Špeciálne vyhotovenia (prachovzdorné, teplovzdorné, odolné voči výbuchu, agresívnemu prostrediu, . . . ).
A K
Ž
Á
Konkrétne vlastnosti robota sú vopred dané jeho konštrukčným riešením. Pre návrh konštrukčného riešenia sú dôležité najmä parametre manipulátora ako tuhosť, geometria a pohonná jednotka, ktoré budú v nasledujúcich kapitolách uvedené podrobnejšie.
LE
P
M
A
-S
40
KAPITOLA 1. ÚVOD
A K
Ž
Á
K
U LE
P
M
A
-S
