Roboty a pružné výrobní systémy - fsiforum.cz a pružné... · 03.10.2010 · Podle...

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV VÝROBNÍCH STROJŮ, SYSTÉMŮ A ROBOTIKY Technická 2, 616 69 Brno tel.: + 420 541 142 448 fax.: + 420 541 142 449

ˇ

ROBOTY A PRUŽNÉ VÝROBNÍ SYSTÉMY

Studijní opora

Radek Knoflíček 2004

VUT v Br ně , FS I , ÚVSSR

1 Úvod do robotiky Automat je řecké slovo s významem pro zařízení, jehož činnost probíhá bez trvalé

účasti člověka. Snahy po vytvoření takového zařízení sahají až do období antiky. Philon Byzantský vytvořil automat podávající mýdlo v lázních, Heron Alexandrijský oltář s figurínami, které samočinně vylévají vodu na obětní oheň. Myšlenka o samočinném řízení mechanismu na základě po sobě přicházejících zvonkových hracích automatů. V roce 1808 J. M. Jocguard použil plechovou děrnou kartu k automatickému řízení textilního stroje a v roce 1952 je v USA uveden do provozu první číslicově řízený obráběcí stroj. Vývoj výrobních strojů je již dlouhou dobu doprovázen vývojem manipulačních zařízení. První konstrukce robotů, které blíže souvisí s dnešními představami o jejich podobě, vznikly po roce 1954. Výraznější zájem o automatizaci diskrétních procesů byl vyvolán na počátku 70. let výraznými změnami v technologii a v koncepcích výrobních strojů. Současná etapa rozvoje techniky se všeobecně označuje za období rozvoje automatizace, která navazuje na předcházející mechanizaci výrobních procesů.

1.1 Využití průmyslových robotů a manipulátorů Průmyslové roboty a manipulátory (v textu dále i jako zkratka PRaM) nacházejí nejčastější uplatnění zejména v následujících dvou oblastech: Výrobní oblast (strojírenství): manipulace s obrobky, výlisky a součástmi; PRaM jako prostředek svařování; nanášení nátěrových hmot; mobilní prostředek v PVS (ADV).

Nevýrobní oblast: v kosmu (raketoplán); pod vodou (ponorka, batyskaf); na zemi (mobilní roboty); v medicíně (vlastní operace); stavebnictví (pokládání dlaždic); zemědělství (trhání jablek, postřiky); služby – servisní činnosti (čistící MR, podávající nápoje); učící (školní didaktická pomůcka).

Koncepce průmyslových manipulátorů a robotů se od počátku vyvíjí ve třech směrech.

Za základní verzi je považována univerzální koncepce, od které se očekává schopnost v širokém rozsahu obsáhnout požadavky různých aplikací. Za opačný přístup lze považovat jednoúčelovou koncepci, která je ale velmi často spojována s představou o omezených funkčních schopnostech. Třetí, modulová koncepce, je určitým kompromisem mezi univerzálními a jednoúčelovými konstrukcemi. Podstatnou vlastností modulových konstrukcí je na jedné straně univerzálnost jednotlivých modulů a na druhé straně jednoúčelnost příslušné sestavy.

Vývoj průmyslových manipulátorů a robotů byl zpočátku spojován s jejich uplatněním ve funkci pomocných zařízení pro obsluhu jednotlivě pracujících strojů v automatickém cyklu.

Vývoj manipulačních zařízení úzce souvisí s reálnými možnostmi aplikací, které lze v současné době charakterizovat těmito rysy:

1. Výrazný přechod průmyslových robotů z prostoru čistě manipulačních funkcí do prostoru realizace technologických operací.

2


2. Zvyšování četnosti rozsáhlejších automatizovaných technologických systémů s podstatnou účastí průmyslových manipulátorů a robotů při zajišťování mezioperační manipulace, transportu i technologických operací.

3. Zvyšování významu jednotlivých manipulátorů v rámci obsluhy výrobních zařízení. 4. Pronikání progresivních technologických principů do prostoru jejich automatické

realizace. 5. Řešení manipulačních operací přímo v rámci vlastní konstrukce výrobního zařízení.

Zlepšování funkčních vlastností mechanického systému konstrukce manipulačních prostředků se orientuje především na tyto směry:

a) Zvětšování rozsahu pohybových funkcí zejména orientací na dosažení dlouhých přímočarých pohybů. Jednoznačným motivem je zvládnout pohyblivosti ve větším prostoru.

b) Ïntegrace manipulačních funkcí v rámci jedné kompaktní jednotky. c) Konstrukce kompaktních funkčních modulů na úrovni pohonů s integrovanými

transformačními bloky a čidly, popřípadě na úrovni celých pohybových jednotek.

d) Zvyšování úrovně technických parametrů s ohledem na zlepšení provozních vlastností

Charakteristickou vlastností universitních typů průmyslových robotů monolitní koncepce zůstává pohybovými jednotkami, horizontální, popřípadě vertikální, osy kloubů a integrované stejnosměrné servopohony. Přitom jsou snahy po dosažení příznivějších vztahů mezi manipulačním (pracovním) a operačním prostorem.

1.2 Průmyslové roboty na světě

Obr. 1: Počet ve nasazených robotů do roku 1997 (v tisících kusů)

Investice do pořízení robotů, jakožto nejvýkonnějších průmyslových automatů, začaly

zhruba od roku 1993 výrazně stoupat. Koncem roku 1993 tak na planetě pracovalo 610 000 robotů, zatímco v roce 1997 jich má být už 830 000. Zatímco v roce 1993 se prodalo kolem 54 000 robotů, v roce 1997 by měl jejich prodej překročit 103 000.

3


Více než polovina průmyslových robotů na světě pracuje ve Japonsku, kde jich na 10 000 pracovníků připadá neskutečných 325. Za Japonském následuje Singapur (109), Švédsko (73), Itálie (70) a Německo (62).

Průmyslové roboty nejvýrazněji pronikly do výroby motorů pro dopravní prostředky. Na celkovém počtu robotů se v předních zemích podílejí jednou třetinou až jednou polovinou. Ačkoli nejvíce robotů v Japonsku pracuje v elektrotechnickém a elektronickém průmyslu, tato země nasadila zdaleka největší počty do výroby automobilových motorů.

4


2 Úvod do problematiky Pro všeobecný pojem „robot“ lze přijmout definici, vyslovenou Doc. Ing. Ivanem Havlem, CSc.: „Robot je automatický nebo počítačem řízený integrovaný systém, schopný autonomní, cílově orientované interakce s přirozeným prostředím, podle instrukcí od člověka. Tato interakce spočívá ve vnímání a rozpoznávání tohoto prostředí a v manipulování s předměty, popř. v pohybování se v tomto prostředí“ Tato definice nepochybně zahrnuje různé robotické systémy pro rozmanitá, nejen průmyslová použití. Povahu „průmyslového robotu“ pak vystihuje velmi dobře definice podle prof. P. N. Beljanina: „Průmyslový robot je autonomně fungující stroj – automat, který je určen k reprodukci některých pohybových a duševních funkcí člověka při provádění pomocných a základních výrobních operací bez bezprostřední účasti člověka zrakem, hmatem, pamětí apod., schopností samovýuky, samoorganizace a adaptace, tj. přizpůsobivostí k danému prostředí“.

2.1 Výkladový slovník Brainware – SW vybavení počítačových systémů založených na bázi znalostí a expertních systémů.

Hardware – fyzická výbava výpočetních systémů elektronickými prvky, obvody, celky, deskami apod.

Histogram – grafické znázornění rozložení četnosti

Lokomoce – je souhrn technický prostředků určených po přemísťování objektu z místa na místo.

Machineware – je mechanická část konstrukce technický objektů.

Mobilita – je schopnost přemístění, pohyblivost

Morfologie – nauka o strukturách, vnějších a vnitřních tvarech ve stavbě organismu. V oblasti techniky se morfologie chápe jako uspořádaná metoda na pozorování předmětů (objektů), jejímž výsledkem je systematická perspektiva možných řešení daného problému.

Optický senzor – senzory citlivé na zářivou energii v oblasti vlnových délek 380 až 760 nm.

Pracovní prostor – je pomyslnými hranicemi omezený prostor působení robotu.

Robot – počítačem řízený integrovaný systém, schopný autonomní cílově orientované iterace s reálným prostředím v souladu s instrukcemi člověka

Senzor – prvek, na který působí snímaná veličina, a který získanou informaci převádí na elektrický signál.

Snímač – vhodně uspořádaná množina čidel

Software – programové vybavení určené pro činnost výpočetního pohybového ústrojí robotu.

Stupeň volnosti – stupeň volnosti kinematického řetěze pohybového ústrojí robota.

Systém – uspořádaná množina (soubor prvků) předmětů (např. technických objektů), jevů, dějů, poznatků aj., které mezi sebou souvisí přesně vymezeným způsobem, mající vzájemnou interaktivní vazbu (aktivně na sebe působí) a vytváření jednotný celek (soustavu).

5


Taktilní senzor – senzor, který snímá požadovanou veličinu na základě fyzického dotyku s předmětem.

Učení robota – programování pracovního cyklu robota převedením požadovaných pohybů koncového členu robota operátorem a přenesení parametrů tohoto pohybu do řídícího systému.

Ultrazvukový senzor – senzor, který využívá pro svou činnost šíření tlakových ultrazvukových vln.

Vizuální senzor – senzor, který využívá pro svou činnost šíření tlakových ultrazvukových vln.

Vnější senzorika – zajišťuje sledování vnějšího stavu robotického systému (např.: lokalizace předmětů, popis vlastností předmětů, zjištění polohy a orientace předmětů apod.)

Vnitřní senzorika – zajišťuje sledování vnitřního stavu robotického systému (např.: údaje o poloze, rychlosti, zrychlení přenášeném výkonu, kroutícím momentu, silovém působení).

2.2 Rozdělení manipulačních zařízení Podle funkčního určení, stupně řízení a složitosti provedení dělí se manipulační zařízení takto:

JEDNOÚČELOVÉ MANIPULÁTORY

UNIVERSÁLNÍ MANIPULÁTORY

SYNCHRONÍ MANIPULÁTORY

PROGRAMOVATELNÉ MANIPULÁTORY

MANIPULÁTORY S PEVNÝM PROGRAMEM

PR NIŽŠÍ ÚROVNĚ

1. GENERACE

KOGNITIVNÍ ROBOTY

INTELIGENTNÍ ROBOTY

3. GENERACE

MANIPULÁTORY S PROMĚNLIVÝM PROGRAMEM

PR VYŠŠÍ ÚROVNĚ

2. GENERACE

MANIPULAČNÍ ZAŘÍZENÍ

6


2.3 Významní výrobci PRaM

2.4 Světoví výrobci ABB Robotics, Vasteras, Sweden

KUKA Schweisanlangen + Roboter, Augsburg, Germany

REIS Maschinenbau + Elektronik, Obernburg, G.

Carl CLOOS Schweistechnik, Haiger, G.

ESAB-MASING, Dietzenbach, G.

DETE Spritz+Lackierszsteme, Nurnberg, G.

ISOTEC Antriebs, Linear+Systemtechnik, Tulln-Staasdorf, Austria

IGM Robotersysteme, Wiener Neudorf, Austria

CIMCORP Oy, Ulvila, Finland

NOKIA Robotics, Helsinki, Finland

GEC Robot Systems, Rugby, GB

ESHED Robotec, Princeton, USA

MOTOMAN Series, Tokyo, Japan

KAWASAKI Robots, Tokyo, J.

TIESSE ROBOT, Visano, Italy

STIMA Systemi Robotizzati Castelone, I.

SYSTEM ROBOT, Orzunuovi, I.

2.5 Přehled PRaM vyráběných v ČR (ČSFR, ČSSR)

VUKOV Prešov MX 001 – A MPH 1, MPH – 1 A PR 16 P, výroba předána do ZPA Prešov jako PR 16 P/A PR 16 P/4 PR 32 E, výroba předána do ZEZ Hořice APR 20 APR 2,5 APR 40, výroba předána do ZEZ Hořice AM 1 – T, výroba předána do ZPA Prešov jako PM 1 P AM 5, výroba předána do ZPA Prešov AM 20 UM160 MTL 10 M 40, výroba předána do BAZ Bratislava jako M 40 A AM 80

MPR 80 AME 80 M 63 PR 30 AZT + řídící systémy, koncové efektory, periferní zařízení, konstrukční prvky PRaM

VIHORLAT Snina MTL 10 OVL – 400 DLM – 301, 311 M 63 – 01 M 63 – 02 M 63 – 20 M 63 – 29 M 63 – 35

7


KOVOPOL Police nad Metují MP 02

TESLA Lanškroun LT 189.1 – OC

TOS Kuřim MSS 20, 63 FM 200

BAZ Bratislav M 40 A/1200 M 40 A/800

ZŤS Košice THM 500

Třinecké železárny Třinec ROMAN 01, 02, 03

ČVUT Praha PR 20

VUT Brno PRKM 20 Vývoj typové řady APR 01, 02, 03 04 + mobilní roboty: MOBIL I, II a VUTBOT 1

VUT Brno + VÚSH Brno PRM 400

VŠT Košice + ZVL P. Bystrica HYMR 50

ZPA Dukla Prešov AM 1 – T, resp. PM 1 P PR 16 P/A AM 5

ZTS Detva (Podpolianske Strojárne) OJ – 10 + robotizovaná pracoviště OJ 10 RS, CP, EP PR 300 ŠR 1 – Miro OJ – 10 M + robotizované pracoviště RZK 2 PR – 111

ZTS Martin M 63 + robotizovaná pracoviště AZP 7 RL – 2, PPO 1 ADV

SAM Myjava SPR 5 SPR 10, resp. IRIS – 14

IQM Zvolen SLR 1500

ČZM Strakonice PROB 5, 10, 20

MAS .- Kovosvit Sezimovo Ústí IPR 1 – 8

ZEZ Hořice APR 40 PR 32 E

8


3 Základní typy konstrukčního uspořádání PRaM V současné době se konstrukce ustálila na třech typech PRaM: Jednoúčelová koncepce Stavebnicová koncepce Univerzální koncepce

Nelze preferovat jednu koncepci před druhou, protože každá z nich má své klady i zápory. Jednoúčelová koncepce se užívá většinou jako trvalá součást stroje pracujícího ve velkosériové výrobě. Na obrázku je zachyceno konstrukční uspořádání PRaM vyráběných v současné době, kam bude většinou patřit universální koncepce a více či méně stavebnicová koncepce.

obr. 2: Stavebnicová koncepce

obr. 3: Universální koncepce

9


obr. 4: Konstrukční uspořádání PRaM

a) Lokomoční s výsuvným ramenem b) Stojanová s výsuvným ramenem c) Konzolové s výsuvným ramenem d) Mostové s výsuvným ramenem e) Portálové s výsuvným ramenem f) Kloubová s výsuvným ramenem g) Portálové-kloubové s výsuvným ramenem h) Kloubové i) Konzolové-kloubové j) Mostové-kloubové k) Portálové-kloubové

10


4 Mechanika PRaM Základem stavby robotů a manipulátorů jsou mechanismy, tj. mechanická zařízení,

která slouží k transformaci pohybu a přenosu sil a zajišťují přemisťování objektů (předmětů, nástrojů apod.) určitým způsobem, vyplývajícím z požadované funkce systému. Touto funkci je např. technologie daného výrobního procesu.

V této kapitole se stručně zmíníme o kinematické struktuře a základních vlastnostech těchto mechanismů a uvedeme principy jejich kinematického a dynamického řešení.

4.1 Kinematická struktura mechanismů robotů a manipulátorů Mechanismy robotů a manipulátorů jsou tvořeny soustavou navzájem pohyblivě

spojených členů, z nichž jeden se nepohybuje a tvoří rám. Tyto mechanismy jsou odvozeny z otevřených prostorových kinematických řetězců. Obsahují binární členy, které jsou spolu vázány prostřednictvím prostorových kinematických dvojic. Přehled těchto dvojic je uveden v tab. 4.1. Vzájemná pohyblivost členů a, b tvořících kinematickou dvojici, je charakterizována počtem stupňů volnosti a shoduje se s počtem nezávislých jednoduchých pohybů (posuvů a rotací), jež mohou oba členy vůči sobě vykonávat. Šroubová kinematická dvojice má 1° volnosti, neboť rotační a posuvný pohyb jsou zde vzájemně závislé. Dvojici, která relativnímu pohybu dvou volných těles v prostoru odebírá j stupňů volnosti, nazýváme dvojicí j – té třídy. Jelikož volné těleso v prostoru má 6°volnosti, platí zřejmě pro každou prostorovou kinematickou dvojici j = 6 – i a celkový počet stupňů volnosti (pohyblivost) mechanismu (kinematického řetězu) je dán obecně vztahem

( ) ∑=

−−=5

116

j jjdni

kde n – je celkový počet členů včetně rámu dj – je počet kinematických dvojic j – té třídy.

11


Název Pohyblivost b:a (počet stupňů volnosti i) Schéma Symbol Třída

(j)

rotační

posuvná

šroubová

valivá

1º

R

P

H

V

5

válcová 2º

C 4

sférická

rovinná

3º

S

F

3

válec na

rovině

4º

2

obecná 5º

O 1

tabulka 1

12


V kinematických řetězcích robotů a manipulátorů se vzhledem ke snadné technické realizaci nejčastěji používají rotační a posuvné kinematické dvojice. Všechny kinematické dvojice jsou hnací, tj. relativní pohyby členů a, b (tabulka 1) jsou realizovány použitím nezávislých pohonných jednotek. Počet těchto jednotek odpovídá počtu nezávislých souřadnic výsledné polohy pracovního (výstupního) členu mechanismu (chapadla, technologické hlavice) a je dán počtem mechanismu (chapadla, technologické hlavice) a je dán počtem stupňů volnosti podle vztahu (obr. 5). Z toho vyplývá, že vhodnou volbou množství a uspořádání kinematických dvojic lze dosáhnout libovolných požadovaných pohybů pracovního členu v prostoru.

obr. 5

Libovolná poloha manipulovaného objektu v prostoru je obecně určena šesti souřadnicemi: tři z nich určují polohu těžiště S objektu v pevném souřadnicovém systému O,x,y,z, další tři pak orientaci, tj. natočení objektu vzhledem k osám souřadnicového systému S,x,y,z, který je unášen spolu s objektem a jeho osy jsou rovnoběžné s osami pevného souřadnicového systému (obr. 5). V souladu s tím nazýváme odpovídající kinematické dvojice polohovací a orientační a příslušné části celkového kinematického řetězce polohovací a orientující ústrojí.

Obecný prostorový pohyb pracovního členu lze tedy realizovat zákonitě pomocí kinematických řetězců s 6° volnosti. Na obr. 6 a) je uveden jako příklad robot KUKA, který je z tohoto řetězce odvozen. Jeho mechanismus, schematicky znázorněný na obr. 6 b), obsahuje 6 rotačních kinematických dvojic.

obr. 6

Roboty a manipulátory s více než 6° volnosti bývají konstruovány pro účely manipulace v těžko přístupných prostorech. Jako příklad je uvedeno schéma kinematického řetězce s 8° volnosti na obr. 7. Řetězec obsahuje 5 dvojic rotačních a 3 posuvné.

13


obr. 7

Univerzální typy robotů mají tedy 6 a více stupňů volnosti. Je ovšem třeba zdůraznit, že zvyšováním pohyblivosti se komplikuje konstrukční provedení, zvyšují se výrobní náklady a tím i cena robotu, snižuje se jeho přesnost a nosnost. V konstrukci průmyslových robotů se proto projevuje snaha omezovat počet stupňů volnosti podle konkrétních podmínek, vyplývajících z požadované funkce a provedení robotu (manipulátoru).

Mezi hlavní hlediska při volbě kinematické struktury robotů a manipulátorů náleží: • požadovaná dráha těžiště manipulátorů objektu, • přesnost polohování při přemisťování těžiště objektu, • orientace objektu vzhledem k unášenému souřadnicovému systému, • pohony, pohybové jednotky a jejich konstrukční provedení, • vazba robotů a manipulátorů na jiné manipulační a pomocné mechanismy. Nyní následuje stručné pojednání o jednotlivých kritériích.

4.1.1 Dráha těžiště S manipulovaného objektu Pohyb těžiště bývá požadován po některé z následujících křivek: a) po přímce, b) po kružnici, c) po obecné rovinné křivce, d) po obecné prostorové křivce.

Případy a) až c) jsou schematicky znázorněny v tabulka 2. U každého je též vyznačena pohyblivost. V případě a) bude polohovací ústrojí kinematického řetězce obsahovat jednu nebo několik posuvných kinematických dvojic (při větším počtu dvojic lze zvýšit zdvihový rozsah mechanismu, tj. prodloužit dráhu těžiště). V případě b) obsahuje polohovací ústrojí kinematického řetězce jednu, příp. více rotačních kinematických dvojic se společnou osou. Případ c) může být realizován buď dvěma posuvnými dvojicemi, nebo jednou posuvnou a jednou rotační dvojicí, příp. dvěma nebo více rotačními dvojicemi se vzájemně rovnoběžnými osami rotace. Polohovací ústrojí podle případu d) lze uskutečnit různými kombinacemi: tří posuvných kinematických dvojic, dvou posuvných a jedné rotační dvojice, dvou rotačních a jedné posuvné dvojice, tří rotačních dvojic.

14


tabulka 2

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

obr. 8

15


Příklady těchto řetězců spolu s vyznačením pořadí kinematických dvojic a charakteru pohybů viz tabulka 3. Všechny řetězce mají 3° volnosti.

tabulka 3

Každému z uvedených osmi typů kinematických řetězců odpovídá 33 = 27 možností konkrétních uspořádání podle polohy os posuvných a rotačních pohybů. Celkový počet matematicky možných kinematických řetězců je tedy 8 x 27 = 216. Z nich však 87 realizuje rovinné přemístění (při zvláštních vzájemných polohách os otáčení a posuvu). Pro realizaci přemístění těžiště objektu po obecné prostorové křivce tedy existuje celkem 129 teoreticky možných variant prostorových polohovacích ústrojí se 3° volnosti. Podrobnostmi se zde však z důvodů jiné vhodnější a dostupné literatury nebudeme zabývat.

obr. 9

Rozdíl mezi jednotlivými variantami bude spočívat v míře obtížnosti při jejich technické realizaci, ve vnějších rozměrech a uspořádání, přesnosti polohování a ve tvaru operačního prostoru, v němž se bude pracovní člen (chapadlo, technologická hlavice) pohybovat. Pojednejme na tomto místě stručně o pracovních prostorech základních typů robotů a manipulátorů. Jejich polohovací ústrojí viz tabulka 3. Jsou tvořena kinematickými řetězci PPP, RPP, RRP a RRR. U provedení PPP je pracovním prostorem robotu hranol obr. 9 a). Typickým představitelem je např. MANTA. U provedení RPP je pracovním prostorem válcový segment obr. 9 b). Typickými představiteli jsou např. VERSATRAN (Velká Británie), UM – 1 (SSSR), PR 16 (ČSSR). Varianta RRP umožňuje manipulaci v prostoru

16


kulového segmentu (obr. 10). Typickými představiteli jsou např. UNIMATE (USA), ROBITUS (Japonsko). Provedení RRR je charakteristické pracovním prostorem, připomínajícím anuloid (obr. 11). Typickými představiteli jsou např. CINCINNATI (USA), ASEA (Švédsko), PR 32 (ČSSR).

obr. 10

Polohu těžiště objektu vyjadřujeme v souřadnicových systémech:

• pravoúhlém (kartézském), • válcovém (cylindrickém), • sférickém.

obr. 11

Pravoúhlých souřadnic používáme u řetězců s výhradně posuvnými kinematickými dvojicemi (PPP), válcových a sférických souřadnic u řetězců, které obsahují rotační kinematické dvojice. V našem případě použijeme u struktury RPP válcových souřadnic a u struktur RRP a RRR sférických souřadnic. Poněvadž pravoúhlý souřadnicový systém pokládáme za základní, provádíme při konkrétních řešeních transformací válcových a sférických souřadnic těžiště na pravoúhlé souřadnice.

17


Pro pravoúhlé souřadnice těžiště objektu platí přímo (viz obr. 4.5):

.1,

,1

323

21

434

szsy

sx

+==

+= (4.2)

Válcové souřadnice 433221 ,, ssϕ transformujeme podle vztahů (obr. 4.6):

( )( )

.,sin1,cos1

32

21434

21434

szsysx

=+=+=

ϕϕ

(4.3)

U struktury RRP transformujeme sférické souřadnice ,21ϕ 4332 , sϕ podle vztahů (obr. 4.7):

( )( )

( ) .sin11,sincos1,coscos1

324343

2132434

2132434

ϕϕϕϕϕ

szsysx

++=+=+=

(4.4)

Sférické souřadnice 433221 ,, ϕϕϕ struktury RRR budou transformovány rovnicemi (obr. 4.8):

( )[ ]( )[ ]

( ) ,cossin1sincos11,sinsinsin1coscos11,cossinsin1coscos11

32434324343

2143324324343

2143324324343

ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ

−−=+−=+−=

zyx

(4.5) Je zřejmé, že tvar pracovního prostoru robotů a manipulátorů souvisí s charakterem použitého souřadnicového systému. Hovoříme proto někdy o pracovních prostorech typu K (kartézský), C (cylindrický) a S (sférický). Výrobci robotů uvádějí rozměrové náčrty pracovních prostorů ve své firemní literatuře a v prospektových nabídkách.

4.2 Kinematická a dynamická analýza mechanismů robotů a manipulátorů

Předpokladem úspěšnosti řešení vícečlenných prostorových kinematických řetězců je použití vhodného matematického aparátu, který umožní jednoduchou a pokud možno univerzální formulaci pohybových zákonů. Tomuto požadavku nevyhovují metody, používané běžně při analýze rovinných mechanismů (trigonometrická metoda, metoda komplexních čísel, vektorová metoda atd.). Jako vhodná se ukazuje maticová metoda, která je dostatečně obecná, snadno algoritmizovatelná a aplikovatelná na prostředcích moderní výpočetní techniky. Podstatou vlastního kinematického řešení je teorie součastných pohybů, získávající v matematické formulaci přehlednou podobu pro transformaci polohy, rychlosti a zrychlení. V textu budeme často užívat maticového zápisu pro vektorový součin dvou vektorů. Vektorový součin vektorů

18


( ) (1 2 3 1 2 3 , , , , ,a a a b b ba b ) je jak známo vektor ( )2 3 3 2 3 1 1 3 1 2 2 1, ,a b a b a b a b a b a b− − −c , který lze také vyjádřit jako součin polosouměrné singulární matice A a sloupcového vektoru b, kde prvky matice A jsou tvořeny vhodně uspořádanými složkami vektoru a

3 2

3 1

2 1

00

0

a aa aa a

−⎡ ⎤⎢ ⎥= −⎢ ⎥⎢ ⎥−⎣ ⎦

A

19


5 Konstrukce PRaM 5.1 Aspekty pro posuzování PRaM Technická kriteria:

• morfologie • počet stupňů a hmotnost • velikost obsluhovaného (pracovního) prostoru • hmotnost manipulovaného břemene • rychlosti pohybů • dosažitelná přesnost polohování • opakovatelná přesnost polohování • způsob a druh pohonů • způsob odměřování vnitřních a vnějších stavových veličin • způsob vnímání vnějšího okolí (technologické scény) • způsob řízení a komunikace s okolím • autonomnost chování

5.2 Průmyslový robot jako soustava konstrukčních celků a prvků Každý technický objekt, tedy i průmyslový robot nebo manipulátor (PRaM) je soustava (systém) tvořená jednotlivými prvky. Tyto prvky souvisí mezi sebou přesně vymezeným způsobem a vzájemně na sebe aktivně působí (tj. interaktivní vazba) a ovlivňují se. Proto lze PRaM jako systém rozdělit na subsystémy hlavních částí dle obr. 12.

Mechanická část

Lokomoční ustrojení

Řídící část

Polohovací ustrojení

Orientační ustrojení

Koncový efektor

Řízení činnosti

Senzory vnitřní

Senzory vnější

Machimeware

Software a Hardware

Robot

obr. 12: Hlavní části PRaM

Mechanická část: Lokomoční ustrojí slouží pro přemístění robotu v prostoru na velké vzdálenosti (řádově v m) i u stacionárních robotů, nebo zajišťuje pohyb v nevázaném stupni volnosti u mobilních robotů. Polohování a orientační ustrojí je fyzicky realizováno jako rameno robotu se zápěstím. Může mít (1 až n) stupňů volnosti, realizovaných pomocí rotačních a translačních kinematických dvojic. Obvykle má polohovací a orientační ústrojí 3 + 3 st. volnosti. Koncový efektor je realizován v podobě technologické nebo úchopné výstupní hlavici robotu.

20


Řídící část: Řízení činnosti je zajištěno elektronickými řídícími systémy různých generací, založenými standardně na bázi mikroprocesorů. ŘS slouží pro vytváření, zapamatování, reprodukci a vykonávání programu – jako posloupností, ovládající činnost robotu. Vnitřní a vnější senzory tvoří vnímací subsystém robotu. Vnitřní senzory – informují ŘS o vnitřním stavu robotu (tj. údaje o poloze, rychlosti, zrychlení, přenášeném výkonu, kroutícím momentu a silovém působení členů kinematického řetězce polohovacího a orientačního ústrojí a koncového ústrojí v prostoru apod.). Kinematické schéma PRaM typu T (RRR) se 6 st. volnosti je na obr. 13.

LÚ – lokomoční ústrojí ZKŘ – základní kinematický řetězec OÚ – orientační ústrojí

obr. 13: Kinematické schéma robotu

Poznámka autora studijní opory: tyto studijní materiály se zaměřují zejména na konstrukci mechanické části (Machineware) PRaM. Na obr. 14 je schématicky znázorněn PRaM jako soustavu konstrukčních celků, uzlů a prvků. V konstrukčním provedení robotů se používají obdobné mechanické (resp. elektromechanické) uzly a skupiny, s jakými se setkáváme v konstrukcích ostatních strojních zařízení. Jsou to např. různé typy spojek, brzd, ložisek, vedení. V konstrukci výkonných mechanismů PRaM se prakticky setkáváme se všemi známými druhy převodů. Zvláštní část představují pohony a jejich řízení. Výše uvedené prvky PRaM včetně způsobů vymezení vůlí v převodech, vyvození translačních a rotačních pohybů, mazání a namáhání strojních částí, jsou popsány v následujících kapitolách.

21


obr. 14: Základní konstrukční celky a uzly PRaM

22


5.2.1 Konstrukce průmyslového robotu OJ 10 RS

5.2.1.1 Technické parametry robotu OJ 10 RS Maximální nosnost včetně technologické hlavice při vzdálenosti těžiště zatěžující hmotnosti od osy naklápění orientačního mechanismu 200 mm 10 kg Pro jiné vyložení je nutné vypočítat zatížení orientačního mechanismu podle následujících údajů: Maximální moment robota 0,78 kgm2 Maximální statický moment 19,62 Nm Počet stupňů volnosti 5 (6)

Rozsahy pohybů: Rotace základu robota 260° Rotace spodního ramene ± 40° Rotace horního ramene 300° Maximální výsun koncového člene orientačního 900 mm mechanismu ve vodorovné rovině

Orientační mechanismus: I. rotace ± 115° II. rotace ± 305° Hmotnost robota 295 kg Nepřesnost polohování ± 0,1 mm Krytí IP 43

Maximální okamžité rychlosti1: Rychlost rotace základu 1,3 rad s-1(75° s-1) Rychlost koncového bodu orientačního mechanismu: vodorovná 0,8 m.s-1 vertikální 1,0 m.s-1

Orientační mechanismus: Rychlost pohybu I. rotace 2,19 rad.s-1(125,54°.s-1) Rychlost pohybu II. rotace 3,285 rad.s-1(188,3°.s-1) Pracovní rychlosti 0,1 mm.s-1 – 99 mm.s-1

Pohonné jednotky: Motory pro pohyb: ramen SRD 350 (In-7,4 A; Un-62 V) orientačního mechanismu SRD 80 (In-13,6 A; Un-15,5 V) točnice základu SRD 350 Převodovky pro motory: ramen HP 100-207-I-2 orientačního mechanismu HP 60-124-I/II-2 točnice základu HP 120-207-I-3-DK Použité oleje v převodovkách OT H3P, OT-T2 A Instalovaný výkon motorů průmyslového robota 1250 W Střední technický život do vyřazení a převodu 40000 hodin

Pracovní poloha: robot postavený na rovině s max. odchylkou od vodorovné roviny 3° robot zavěšený na portálovém nosníku v převedení OJ-10 RZ

1 Max. doba chodu OJ 10 RS při max. rychlostech nesmí přesáhnout 20 % z celkové doby chodu.

23


Pracovní prostředí: teplota okolo min. +5°, max. 40° max. relativní vlhkost vzduchu 80 % atmosférický tlak min. 86 kPa prašnost – velikost částic 3 m – 1 mm – množství 200 mg.m-3 druh prostředí obyčejné ČSN 330300 čl. 3.1.1. druh klimatického převedení N 32 ČSN 038805

Odolnost vůči mechanickému kmitání: frekvence 25 Hz amplituda ±0,2 mm rázy 4 g Dosahované parametry a připojovací rozměry jsou zobrazené na obr. 15. Průmyslový robot může pracovat po výměně vyvažovací jednotky i v zavěšené poloze, např. na portálu.

24


obr. 15: Dosahované parametry průmyslového robotu OJ 10

25


5.2.1.2 Ovládání pohybu robotu OJ 10

26


5.2.1.3 Rotační jednotka (točna základu) Legenda 1. Diskový elektromotor 2. Harmonická převodovka 3. Speciální velkorozměrové ložisko 4. Otočná část rotační jednotky 5. Stojan rotační jednotky 6. Tachodynamo 7. Selsyn

27


5.2.1.4 Schéma pohonů ramen

5.2.1.5 Schéma pohonů zápěstí

28


5.2.1.6 Pohonná jednotka orientačního mechanizmu Legenda 1. Diskový motor 2. Harmonická převodovka 3. Snímač polohy (selsyn) 4. Snímač rychlosti (tachodynamo) 5. Svorkovnice 6. Výstupní hřídel

29


5.2.1.7 Konstrukce horního ramena Legenda: 1. Pohonné jednotky orientačního

mechanismu 2. Protizávaží 3. Orientační mechanismus 4. Těleso horního ramene 5. Snímatelný kryt 6. Koncový člen orientačního mechanismu 7. Dvojdílný kryt

8. Dvoupolohový doraz 9. Řetěze 10. Napínací mechanismus řetěze 11. Táhlo s řetězem 12. Víko levé 13. Víko pravé 14. Otvor pro připojení spodního ramene

30


5.2.1.8 Konstrukce spodního ramena Legenda: 1. Kozlík 2. Spojovací hřídel 3. Dilatační spojka 4. Pohonná jednotka spodního ramene 5. Pohonná jednotka horního ramene 6. Hřídel náhonu horního ramene 7. Převod ozubenými koleskami 8. Kryt drátů 9. Rotační jednotka

10. Skříň pohonu 11. Rameno 12. Diskový motor 13. Harmonická převodovka 14. Matice 15. Pojistná matice 16. Matice 17. Matice

31


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

32


6 Základní konstrukční prvky stavby PRaM 6.1 Pohony PRaM

6.1.1 Definice a klasifikace pohonu Obecně je pohon soustavou, přeměňující vstupní energii na výstupní, tj. mechanický pohyb (rotační, translační) a jeho přenos na pohyblivou část mechanismu, plnicího požadovanou funkcí. V konstrukční praxi jsou užívány různé druhy pohonů, nejčastěji rozdělované dle následujících hledisek:

a) dle použitého média: • elektrické

o stejnosměrné (DC) o střídavé (AC)

• tekutinové o hydraulické o pneumatické

• kombinované

b) dle regulované výstupní mechanické veličiny (n, Mk): • s regulací bez regulace • bez regulace

c) dle počtu použitých spotřebičů energie: • jednomotorový • vícemotorový

d) dle charakteru trajektorie mechanického pohybu: • rotační (kyvný) • přímočarý • obecný (rovinný, prostorový pohyb)

e) dle použití k pohonu části Aram: • polohovacího ústrojí • orientačního ústrojí • koncových efektorů • lokomočního ústrojí

f) dle typu transformace vstupního pohybu na výstupní: • identická transformace (R → R) • neidentická transformace (R → T, T→ R), kde: R = rotační pohyb, T = translační

pohyb

33


Pohonové soustavy se u PRaM ustálily na tzv. CENTRICKÉM USPOŘÁDÁNÍ. Obvykle je do jednoho montážního a funkčního bloku uspořádán:

− snímač (s) (polohy, rychlosti, otáček, úhlového natočení) − brzda (b) − motor (m) − převodovka (p)2

obr. 16: Blokové uspořádání obecného pohonu PRaM – pohonné jednotky

Výstup k poháněnému mechanismu

s b m p

zdroj energie

6.1.2 Elektrické pohony Vyznačují se těmito výhodami:

• jednoduchý přívod všeobecně dostupné energie; • možnost regulace otáček u DC i AC motorů; • velmi dobré dynamické vlastnosti; • jednoduchá údržba, čistota provozu; • malé provozní a udržovací náklady.

6.1.2.1 Třídění el. pohonu dle napájecího napětí a výstupního pohybu rotoru Zde rozlišujeme tyto skupiny: A. Stejnosměrné napětí:

− motory s plynulým otočením rotoru a plynulou regulací otáček. B. Střídavé napětí:

− motory s plynulým otáčením rotoru a s regulací otáček plynulou nebo skokovou, − pohyb rotoru po přítrzích (motory krokové).

6.1.3 Tekutinové pohony Je možno dělit na dvě skupiny dle vyvinuté složky energie hnacího média: a) hydrostatické a hydrodynamické – využívají k přenosu energie tlaku média (viz Bernoulliho

rovnice) b) hydrodynamické – využívají k přenosu energie tlakové a kinetické složky potenciální energie

média

Tekutinové pohony mají následující výhody: • snadná realizace přímočarých pohybů spolehlivými motory (válci) bez nutnosti zařazení

transformačních bloků; • možnost spojitého řízení parametrů přenášených veličin (tj. tlak p → síla, F, průtočné

množství (průtok) Q → rychlost mechanismu v); • nízká hodnota poměru hmotnosti pohonu k dosaženému výkonu; • možnost nastavení mechanismu na neomezenou dobu při plném zatížení a snadné jištění

proti přetížení.

2 Snímač s brzdou je možno v odůvodněných případech použít i na straně výstupního mechanismu

34


Porovnání hydrostatických a pneumostatických pohonů z hlediska výhod a nevýhod, je uvedeno v následující tabulce:

HYDROSTATICKÝ PNEUMATICKÝ

V

− vysoká tuhost − dobrá účinnost − možnost dosažení malých

rychlostí − plynulý chod

− možnost připojení na centrální rozvod − dosažení rychlých pohybů − možnost činnosti v různých teplotách okolního

prostředí − možnost práce ve výbušném a vlhkém prostředí

N

− nutnost samostatného zdroje energie

− obtížné dosažení vysokých rychlostí

− změna viskozity kapaliny s teplotou

− drahý provoz (cca 4x dražší než u hydropohonů, 10x než u el. pohonů

− obtížné dodržení plynulého chodu − malá tuhost

6.1.3.1 Pneumatické mechanismy

Užití stlačeného vzduchu jako pohonného média s sebou přináší oproti tlakovému oleji tyto výhody:

• vzduch je nejrozšířenější médium, do jisté míry ekologické (i přes nutnost mazání a tím i výfuku obohaceného vzduchu do okolí)

• jistá bezpečnost obsluhy díky malým tlakům v potrubí: P standart = 0,6 Mpa P max = 1,5 Mpa

• jednoduchá regulace rychlostí, sil • jednoduchá realizace otáčivých a přímočarých pohybů • vysoké rychlosti výstupního mechanismu:

v standart = cca 2 m/s v max = cca 10 m/a

nevýhody: o omezení vyvozené síly, která je určena plochou pístu S a tlakem přiváděného vzduchu na

píst p F = p . s F max = (30 – 50) kN

o vysoké náklady na výrobu stlačeného vzduchu o unikající vzduch netěsnostmi znamená zvýšený příkon zdroje a tím i zvýšené náklady na

výrobu vzduchu Pozn. 1: pro většinu běžně užívaných pneumechanismů se uvažuje orientační průměrná spotřeba

(množství) vzduchu Q max = cca 100 m3hod-1

Pozn. 2: pomocí pneumechanismů lze docílit i vysoké přesnosti polohování výstupního mechanismu užitím prvků, uvedených na následujícím obrázku. Přesnost polohování: ∆ = ± 0,1 mm

PM IRC/ILC PV RS

obr. 17: Blokové schéma pneupohonu s přesným polohováním

35


kde: PM = pneumotor IRC/ILC = inkrementální rotační/lineární snímač PV = proporcionální ventil RS = řídící systém

Při navrhování pneumatických obvodů se používají schematické značky jednotlivých prvků obvodu dle CSN 01 37 22.

6.1.3.1.1 Základní prvky pneumatických obvodů A. ZDROJ TLAKOVÉHO VZDUCHU: (kompresorová stanice) Tj.: kompresor, chladič, vzdušník, pojišťovací ventil, filtr, sušička

B. JEDNOTKA PRO ÚPRAVU VZDUCHU: Skládá se z: filtrační jednotky, regulátoru tlaku (redukční ventil), maznice

C. SPOTŘEBIČE ENERGIE:

přímočaré př.: jednočinný válec

rotační př.: lamelový

- motory

kývavé př.: s křídlem

D. PRVKY PRO ÚPRAVU VZDUCHU, EVENT.ÚPRAVU SIGNÁLU: (je-li užit v řídící části)

1. ROVÁDĚČE: př.: dvoupolohový, dvoucestný rozváděč ovládaný vzduchem a pružinou

2. VENTILY: (výběr)

řízení tlaku, př. : redukční ventil

36


řízení průtoku, př.: škrtící ventil s nastavitelným průřezem

uzavírací, př.: jednosměrný ventil

speciální, př: dvoutlakový ventil (konjunkce)

3. ROZVOD STLAČENÉHO VZDUCHU: tvořený pomocí: potrubí:

hadice

spojek (kuželová redukční spojka)

2 typy rozvodných potrubí:

a) otevřený

b) uzavřený (smyčka)

Výhoda: možno užít o 1/3 menší dj, tj. světlost potrubí oproti případu a)

37


6.1.3.2 Skladba hydrostatického a pneumostatického mechanismu − schematické značky obvodů: ČSN 01 37 22 − jednoduchý obvod s výstupním přímočarým motorem, reverzací a plynulým řízením rychlosti

pohybu pístnice válce

Hydrostatický mechanismu Pneumostatický mechanismus

-

výkonové prvky výskupní, motory

Čás

t 2 řídící prvky (řízení

parametrů přenášené energi, řízení směru toku)

úprava použitého nostitele energie (úprava vzduchu)

samostatný zdroj energie (vstupní výkonové prvky - generátorů vč. prvků řídících a pomocných) Č

ást 1

centrální zdroj energie

38


6.1.3.3 Hydraulické a pneumatické motory přímočaré zpětný pohyb zajištěn vestavěnou pružinou, vhodný pro menší zdvihy (pružina)

dvojnásobný, zejména pro ovládání čelistí úchopových hlavi

JEDNNOČINNÝ MOTOR

membránový s vestavěnou vratnou pružinou, malé zdvihy stavěny většinou jen pro vzduch

s jednostrannou pístní tyčí, pohyb v obou smyslech zajištěn tlakovou energií

dvonásobný, zejména pr ovládání čelistí úchopných hlavic

s jednostranno pístní tyčí s tlumením, regulovatelným, v obou krajních polohách existují též provedení s jednostr. tlum.

membránový, jen pro malé zdvihy, malé hmotnosti a rozměry: stavěny většinou jen pro vzduch

DVOJČINNÝ MOTOR

s oboustranno pístní tyčí, větší zdvihy, stejné vlastnosti v obou smyslech pohybu

Základní technické parametry: Ø D [mm] L [mm] P [MPa]

39


40

6.1.3.4 Hydraulické a pneumatické motory přímočaré s kývavým pohybem

Dvojčinný motor s ozubenou tyčí a pastorkem

Dvojčinný motor s otočnou lopatkou; jediný typ motoru u něhož není třeba pomocného mechanického převodu

Dvojčinný motor s převodovou dvojicí šroub - matice

6.1.3.5 Hydraulické motory s rotačním pohybem- axiální pístový hydromotor MA V = 18; 40; 78 cm3/ot TP: 19/4/81/03 – 0881 pn = 6,3 MPa nn = 6 až 2500 min-1JKPOV: 336 331 501 (509)


41

Určení a použití Hydromotory označení MA lze s výhodou použít všude tam, kde je požadována v širokém rozsahu plynulá regulace otáček. Výhodu je malý zastavěný prostor při dostatečně velkém výkonu, krátká doba rozběhu, doběhu, reverzace, jež je dána malým momentem setrvačnosti a tvrdosti při širokém regulačním rozsahu. Řez hydromotorem MA


7 Konstrukce a aplikace mobilních robotických systémů V současnosti je největší počet průmyslových robotů a manipulátorů (dále i jako zkratka

PRaM) tzv. stacionárních. Tzn., že jsou pevně připoutány k podlaze a nemohou se volně pohybovat v prostoru jejich určení (pracoviště). Pracovní prostor těchto PRaM je tvořen pouze dosahem manipulačních ramen. Výjimečně je možno zvětšit pracovní prostor užitím přídavné pohybové jednotky, s rozsahem pohybů řádově v metrech. Nové generace mobilních robotů (souhrnně nazývané jako mobilní robotické systémy MRS) se ovšem mohou volně pohybovat v daném pracovním prostředí a otevírají tak nové aplikační možnosti. Základním rozlišením se dělí na tzv. vnitřní (indoor) nebo vnější (outdoor) aplikace. Mohou být použity např. k převozu polotovarů, polovýrobků či výrobků, součástí (v prostředích známých nebo částečně známých) nebo mají nezastupitelnou roli v tzv. nebezpečných prostředích (např. jaderné elektrárny, požáry, průzkum výbušnin ap.).

Tato kapitola stručně shrnuje obecné požadavky na konstrukci MRS v důležitých technických oblastech jako jsou: lokomoce, směrové řízení, navigace atd.

7.1 Přístupy k mobilitě Zajistit mobilitu robotů je v současnosti cíl mnoha světových pracovišť. Prvním

experimentálním mobilním robotem byl SHAKEY, vyvinutý na Standfordské Universitě v Kalifornii již v roce 1966. V současnosti mnoho univerzitních laboratoří využívá experimentální mobilní roboty vlastní konstrukce k vývoji a ověření téměř všech subsytémů, které tvoří MRS (např. lokomoční ss, vizuální systémy, prostředky umělé inteligence, speciální senzory, navigační a mapující programy atd.). Některé z těchto MRS byly předány i komerční výrobě a to na určení a použití v různých oblastech.

7.1.1 Automatické dopravní vozíky (ADV) Prvním stupněm vývoje MRS byla konstrukce ADV, jako mezioperačního manipulačního

zařízení, používaného v PVS. ADV jsou určeny pro převoz těžkých dílců nebo součástí, nástrojů, výrobních pomůcek ap., např. mezi jednotlivými výrobními stroji (OC). Jejich nevýhodou je pevně určená dráha, kterou v naprosté většině tvoří do podlahy zapuštěný el. vodič – indukční řízení ADV.

7.1.2 Autonomní lokomoční roboty Jejich hlavním znakem je, že se mohou pohybovat kdekoliv ve 2-D nebo 3-D prostoru a

jejich dráha tedy není explicitně dána jako u ADV. Tyto MRS jsou již dobře komerčně využitelné. Logicky následujícím vývojovým krokem v konstrukci MRS jsou tzv. autonomní lokomoční roboty právě do hazardních prostředí. Nadále jsou vyvíjeny různé konstrukce MRS, navzájem i velmi odlišných koncepcí (dáno předpokládaným užitím v konkrétní oblasti) i k experimentálním nebo vzdělávacím účelům. V ČR byly vyvinuty a dále budou zdokonalovány v rámci vědeckovýzkumné činnosti VŠ po názvem MOBIL 1, MOBIL 2 a VUTBOT 1 – mobilní robotické systémy VUT v Brně, FS, ÚVSSR [-12-, -13-].

7.2 Požadavky na konstrukci V současnosti lze sledovat jev, že konkrétní požadavky od konečného (i komerčního)

uživatele vedou často k unikátním konstrukcím MRS, i když nejsou vyráběny v početných sériích. Přestože mnoho MRS má shodné nebo modifikované části se stacionárními PRaM (např. manipulační ramena, vizuální systémy, senzoriku), jsou zde faktory činící je zvláštními. Obecné požadavky na konstrukci MRS, resp. zajištění mobility jsou následující:

1) Lokomoční podsystém, dovolující pohyb a umožňující směrové řízení. 2) Navigační podsystém, plnící funkce mapování a modelování prostředí, lokalizace a směrové řízení plánování a výběr dráhy, pohyb v prostředí a vyhýbání se překážkám, autonomní navigace atd.

42


Ostatní požadavky na konstrukci jsou pak dány souhrnem dílčích požadavků na jednotlivé subsystémy (ss). Např.: lokomoční ss - stabilita jízdy, snadné manévrovací schopnosti, možnost překonávat překážky v terénu, senzorický subsystém (sledování vnitřních stavů MRS a vnějších stavů technologické scény), palubní napájení, řídící systémy (řízení všech činností MRS), vhodné zdroje energie ap.

7.2.1 Lokomoce Lokomoční podsystém (LP) dovoluje MRS se pohybovat. Jako lokomoční mechanismy se

používají: kola, pásy, nohy nebo jejich vzájemné kombinace, tvořící tzv. hybridní mechanismy. Volba LP závisí především na typu terénu (podložky), ve kterém se bude MRS pohybovat. Složitost konstrukce LP je dána rozměry a výkonem MRS (tj. technickými požadavky) a je omezena finančními náklady (tj. ekonomickými možnostmi). Prakticky se pro indoor aplikace nejvíce používají kolové a pro outdoor pásové LP.

7.2.1.1 Kolové podvozky Prvotním konstrukčním problémem je volba koncepce (uspořádání) kolového podvozku,

zahrnující určení počtu kol (volně otočných = běžné, hnacích a směrových), hnacího kroutícího momentu a výkonu zvolené pohonné jednotky. Obvykle se používají 3 nebo 4 kola, výjimkou nejsou 6-ti kolové. Čtyři kola zajišťují větší stabilitu jízdy, zvláště jsou-li všechna poháněna. Tříkolové jsou konstrukčně jednodušší, mající nižší hmotnost a lepší možnosti navigace, ale složitější řízení do požadovaného směru. Kola větších průměrů dovolují překonat i malé překážky (výšky cca 5 cm), ležící na podlaze, ovšem za cenu výše položeného těžiště vozidla (zhoršují se jízdní vlastnosti) a snížení přesnosti polohování. Dle [-21-/197 ] se doporučuje použít jako optimální průměr kola (250 ± 50) mm.

Existuje mnoho různých koncepcí kolových podvozků a možnosti jejich směrového řízení. Následující obrázky ukazují několik eventualit.

43


Pros touto přznázorněn

a) 1 kolo hnací a směrové b) 1 kolo volně otočné, 2 hnací c) 2 kola hnací, (s el. diferenciálem) 1 hnací a směrové obr. 18: Tříkolový podvozek

a) b) obr. 19: Čtyřkolový podvozek a) přední dvojice směrových nepoháněných kol

b) přední i zadní dvojice směrová a poháněná

překonávání nižších výškových překážek jsou vhodná tzv. Weinsteinova kola. Při styku ekážkou se trojice pojezdových kol pootočí kolem jejich hlavní osy podle způsobu, ého na následujícím obrázku.

obr. 20: Proměnlivá geometrie pásových podvozků

44


obr. 21: Všesměrová kola - Standfordské 3 kolové vozidlo [-18-/457] a) kolo b) jízda přímo c) natáčení okolo svislé osy d) zatáčení okolo středu rotace

obr. 22: Všesměrová kola - universální kolo

45


7.2.1.2 Pásové podvozky Pásové podvozky vynikají výbornými manévrovacími schopnostmi v náročném terénu

(včetně jízdy do schodů), ovšem za cenu ztrát třením mezi pásy a podložkou, což vede k dimenzování výkonnějších motorů pohonných jednotek, přičemž rozvor mezi pásy a jejich délka mají přímý vliv na manévrovatelnost. obvykle se používá jedna dvojice pásů, neobvyklé nejsou i konstrukce využívající většího počtu pásů s možností proměnlivé geometrie - viz obr. 23 [-22-/251] [-18-/ 458].

obr. 23: Proměnlivá geometrie pásových podvozků

obr. 24: Pásový podvozek

46


7.2.1.3 Hybridní podvozky

Vznikají kombinací mezi dvojicemi: kolo-pás, kolo-noha,

7.2.1.4 Nohy - kráčející podvozky

obr. 25: a) Šestinohý kráčející MR s 12° volnosti

b) konstrukce jedné nohy

obr. 26: Noha se 6° volnosti

47


obr. 27: Model dvounohého antropoidu

7.3 Senzorický subsystém Senzorický subsystém bývá nejčastěji realizován jako sdružený a nabízí se jeho následující

rozdělení na: a) senzory pro sledování vnitřních stavů MRS:

o podvozku o manipulačního ramene o zdroje energie

b) senzory pro sledování vnějších stavu technologické scény: o navigační o scénové o kolizní

7.4 Palubní napájení MRS využívají jako primární zdroje energie el. energii, jsou odkázány na potřebu napájecích

napětí s různými úrovněmi napětí a proudů. Tato potřeba je dána obvykle požadavky na napájení silových obvodů trakčních a pomocných motorů, napáječů el. motorů, slaboproudých obvodů senzorického podsystému a řídícího systému, jakož i zajištění přívodu do všech pomocných spotřebičů. Jako obvyklé řešení se používají vícehladinové impulsní stabilizované zdroje, které uspokojují následující požadavky:

• stejnosměrné napájení: 5, 12, ± 15, 24, 48 [V] • střídavé napájení: 36, 220 [V], různých frekvencí [Hz]

7.5 Řídící systémy V současné době se využívají pro řízení MRS ŘS založené na bázi mikroprocesoru:

jednoprocesorové nebo víceprocesorové. Úkolem ŘS je ovládat činnost podvozku (lokomoce, lokální a globální navigace),

senzorického subsystému, manipulační rameno a popř. jiné vezené části MRS.

48


7.6 Zdroj energie Zdroj energie (ZE) musí být schopen prostřednictvím palubní energetické sítě napájet

všechny spotřebiče a to el. energií, popř. tlakovou kapalinou či stlačeným vzduchem. Obvykle je jako primární ZE používána el. energie.

Zásobování MRS el. energií může být dvojího způsobu: • napájecí kabel spojuje MRS se stabilním ZE (nevýhodou je omezení akčního radiusu) • nezávislý ZE (např. vezený motor-generátor nebo akumulátorové baterie (AKB)

V civilních (průmyslových) aplikacích se dává přednost užití AKB před jinými způsoby. AKB se od sebe liší použitím rozdílných meteriálů na elektrody a elektrolyt (kapalný nebo gelový elektrolyt)

obr. 28: Vliv vybití na její životnost

Pro současnou aplikaci v MRS je možno použít Pb, Ni-Cd příp. Ni-Fe a gelových AKB (tyto splňují požadavky na malou hmotnost a vysokou kapacitu). Bývá pravidlem, že pro napájení silnoproudých obvodů (např. hnací a řídící el. motory lokomočního podsystému), se pz důvodů velkých proudovýsamostatná sada AKB. K napájení slaboproudých obvodů (ŘS, SS) spoužává druhá sada AKB. Kapacita baterií pro pohon hnacích/řídících motorů závisí na průměrné hodnotproudu potřebného pro pohony a čase, kdy jsou v činnosti. Důležité rovněž sledovat provozní veličiny stavu AKB – např. vybíjení, jež není lineární funkcí proudu – viz obr. 28.

oužívá ch odběrů

e

ě

je

Jsou vyvinuty i monitorovací systémy indikující zbytek náboje.Velikost kapacity většiny AKB rovněž závisí na teplotě s klesající teplotou okolí, klesá kapacita AKB. – viz obr. 29.

obr. 29: Vliv teploty na kapacitu AKB

49


7.7 Přehled současného stavu v oblasti aplikace MRS

7.7.1 Rozdělení aplikací mobilních robotů Přehled současného světového stavu v oblasti aplikací mobilních robotů [9] lze rozdělit

podle následujících hledisek: 1. dle účelu použití (druhu konstrukce) 2. dle druhu prostředí (okolní technologickou scénu) 3. dle užití pro konkrétní úkol (plnění úlohy v dané aplikaci)

ad1) Rozdělení dle účelu použití (druhu konstrukce):

toto nejlépe vystihuje následující obrázek.

ÚČEL MOBILNÍHO ROBOTU

VĚDECKO-VÝZKUMNÉ APLIKACE KOMERČNÍ POUŽITÍ

(UNIVERZITNÍ KONSTRUKCE )

CIVILNÍ ÚČELY VOJENSKÉ (POLICEJNÍ)

ÚČELY

ad 2) Rozdělení dle druhu prostředí (škodlivosti okolní technologické scény):

DRUH PROSTŘEDÍ MOBILNÍHO ROBOTU

PROSTŘEDÍ DEFINOVANÉ PROSTŘEDÍ DEFINOVANÉ

JAKO OBYČEJNÉ JAKO NEBEZPEČNÉ ČLOVĚKU

50


ad 3) Rozdělení dle užití pro konkrétní úkol (plnění úlohy v dané aplikaci): viz obr. 57.

UŽITÍ MOBILNÍCH ROBOTŮ

V PRŮMYSLU OSTATNÍ VE VOJENSTVÍ (POLICII)

- strojírenská výroba - služby - odstraňování výbušnin

- energetika - nemocnice - manipulace s podezřelými

- stavebnictví - pošty předměty

- lisovny - průzkum neznámých

- brusírny objektů

- ředitelství firmy - ženijní průzkum zátarasů

- výroba mikroelektroniky a odminovávání

- laboratoře - podmínky vedení bojové

činnosti

7.7.2 Mobilní roboty vyvinuté na vědecko-výzkumných a univerzitních pracovištích

V následujícím přehledu jsou uvedeny pouze reprezentativní příklady výzkumných projektů, zaměřených na oblast mobilních robotů. První projekty jsou již datovány do 70. Let.

* SHAKEY - jeden z prvních MRS, byl vyvinut na Standford Research Institute, Standford University, California (USA) v letech 1966-72. Byl tvořen kolovým podvozkem, řídící částí a otočnou hlavicí na níž byla umístěna TV kamera, optický dálkoměr a anténa pro bezdrátové spojení s řídícím počítačem CDC-940. Dále byl vybaven dotykovými senzory pro identifikaci střetu s jinými objekty. Jeho úkolem bylo přemisťovat velké krabice v přísně omezeném, uměle vytvořeném okolním prostředí. Projektem byl započat vývoj plánování činnosti na základě logiky. Jedním z úkolů, které měl robot plnit byl i úkol „robot a krabice“. V místnosti byla na pevném podiu umístěna krabice a na jiném místě šikmá nájezdová rampa. Úkolem robotu je shodit krabici na zem tak, že nejprve si musí přistrkat rampu k podiu, poté po ní vyjet a pak shodit krabici. Doba řešení úlohy byla 20 minut, vlastní provedení pak trvalo 10 minut.

obr. 30: Inteligentní mobilní robot SHAKEY

51


* JASON - vyvinut na University of California, Berkley. Tento byl vybaven manipulačním ramenem a používal ultrazvukové a infračervené proximitní senzory.

* The JPL ROVER - již počátkem 70. let byl využit v NASA Jet Propulsion Laboratory Pasadena, California semiautonomní MR k průzkumu planet. Prototyp byl vybaven laserovými senzory, dvěmi stereo TV kamerami a manipulačním ramenem. Toto vozidlo bylo schopno pracovat pod dohledem člověka-operátora. Později byly využity zkušenosti lab. NASA pro vývoj nového planetárního vozidla - 90. léta NASA Mars.

* The STANDFORD CART - postaven ve Standford Artificial Intelligence Laboratory, SU, Cal.Podvozek byl vybaven kamerou, manipulátorem a radiem. Užíval stereovizuální systém pro zjišťování překážek a vytváření mapy prostředí.

* HILARE - The Hilare Robot - postaven v Laboratoire dAutomatique et dAnalyse des Systemes, CNRS, Toulouse, France. Je vybaven ultrazvukovými senzory, kamerou a laserovým systémem, založeným na triangulaci. Výzkum byl koncentrován na multisenzorické vnímání, plánování a navigaci pomocí mapy prostředí, reprezentované jako grafy.

* VESA - The Vesa Robot - vyvinut na Laboratoire dApplications des Techniques Electroniques Avancees, Institut National des Sciences Appligueés, INRIA, Remes, France. Byl vybaven ultrazvukovými senzory a manipulačním ramenem. Byly zkoumány problémy multisenzoriky, mapování a autonomního plánování dráhy a navigace.

* The YAMABIKO ROBOTS - série MR Yamabiko byla vyvíjena na Kanayama and Yuta Institute of Information Science and Electornics, University Tsukuba, Japan. Projekt Yamabiko vyvinul několik odlišných konstrukcí MR a na nich byly ověřovány přístupy k programování, plánování a navigaci.

* The MRL robots - výzkum prováděn pod Carnegie Melton Universty Mobile Robot Lab., Pittsburgh, Pensylvania a byl zaměřen na různé problémy ve vnímání, navigaci a řízení ALR. Projekty zahrnovaly návrh, konstrukci a řízení několika odlišných MR. Byla formulována strategie řízení pro kolové podvozky, stereo vidění, mapování a plánování dráhy a navigaci.

* The Autonomous Land Vehicle Project - podporován Defence Advanced Research Project Agent of Departement of Defence. Projekt byl zaměřen na silniční vozidla a na vozidla překonávající těžký terén, užívající mapu prostředí, uloženou v paměti ŘS a jednoduchý senzorický systém pro lokální navigaci a překonávání překážek.

* The Hermies robots - série robotů vyvíjená na Oak Ridge National Laboratory Center for Engineerings systems Advanced Research , Oak Ridge, Tennessee, USA. Roboty nesly manipulační rameno, sonar a vizuální senzory a byly používány pro výzkum vizuálního vnímání, cílově orientované manipulační strategii.

* The VaMoRs Robot - projekt ALR vyvíjený na Univesritat der Bundeswehr, Germany a zaměřený na integrovaný přístup k automatické vizualizaci navádění ALR.

* The KAMRO Robot - projekt na Institut for Real-Time Computer Systems and Robotics, University of Karlsruhe, Germany zaměřený na vývoj MR se dvěmi rameny pro experimenty s autonomní navigací, dokováním a montáž.

* The FRC Robots - ve Field Robotics Center, Robotics Institute, Cargenie Melton University, byl soustředěn vývoj teleoperátorů a semi ALR pro inspekce a revize v jaderných provozech, činnosti v nebezpečných prostředích (dolech ap.).

* BLANCHE - Blanche mobile robot je experimentální vozidlo vyvíjené v AT&T Bell Labs, Priceton, New Jersey, USA. Je konstruován k autonomní činnosti ve známých prostředích (např. úřady, tovární prostory ap.). Využívá optických senzorů a může být využit na experimenty s programovacími jazyky, senzorikou a technikou pro zjišťování chyb a obnovu.

52


* The Standford Mobi - podvozek je opatřen všesměrovými koly a je vybaven systémem stereokamer a sonary. Mobi může být užit pro indoor navigaci.

* The MIT Robots - řada konstrukčně odlišných MR, které jsou vyvíjeny na MIT Artificial Intelligence Laboratory, Cambridge, Massachusetts, USA a jsou používány k ověření nízkoúrovňově senzorických a řídících mechanismů a k užití v řízení různých úrovních.

* The LSU - RRL - LSU Robotics Research Laboratory, Baton Rouge, Luisiana, USA. Výzkum zahrnuje vývoj ALR a oustřeďuje se na klíčové oblasti inteligentního snímámí prostředí a navigaci ověřováním rozdílných řídícch metod ALR, pohybujících se v neznámých prostředích. Projekt zahrnuje výzkum řízení dráhy manipulačního ramene pomocí zvukových senzorů a paralelizaci vizuálních systémů.

* ALR Robots - The Autonomous Robotics Laboratory firmy IBM T.J. Watson Research Center, Yorktown Heights, New York, je zaměřena na vývoj robotů s robustním snímáním, navigací a řídícími mechanismy včetně vývoje automatických robotických učících se strategií.

7.7.3 Mobilní roboty vyvinuté na VUT FSI v Brně Výsledkem aplikovaného vývoje a výzkumu na Ústavu výrobních strojů, systémů a robotiky,

Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně, bylo zkonstruování a sestavení mobilních robotů MOBIL I a MOBIL II, VUTBOT 1 a VUTBOT 2.

7.7.3.1 MOBIL I (1994) Byl sestrojen jako náhrada indukčně řízených vozíků (ADV). MOBIL I využívá čáry (černé

pásky nalepené na podlaze), která je snímána infradetektory. Výhodou tohoto řešení je snadná změna dráhy, která spočívá ve smazání staré a nakreslení nové dráhy, což urychluje celou rekonstrukci či instalaci nové trasy

7.7.3.2 MOBIL II (1995) Mobil II je fyzikální model autonomního

mobilního robotu vyvinutý na VUT v Brně, Fakultě Strojní, ÚVSSaR je určen pro experimenty v oblasti lokální a globální navigace. Podvozek se vyznačuje kovovou konstrukcí a je opatřen čtyřmi nezávisle odpruženými koly, z nichž dvě jsou poháněná a dvě řídí směr pohybu. V konstrukci převažují hliníkové a plastové komponenty, čímž se výrazně snížila jeho celková hmotnost, která činila 40 kg, Řídící systém je tvořen procesorem 486 DX-2/66 MHz. Zpětná vazba jednotlivých hnacích motorů pozůstává z neuronových regulátorů (řízení směru, diferenciál, levý a pravý

obr. 31: Mobilní robot MOBIL I

obr. 32: Mobilní robot MOBIL II

53


motor). Obsahuje multisenzorický systém (statické aktivní IR senzory proximitní, UZ senzory pro jízdu v koridorech a chodbách, skanovací systém s IR senzory a ultrazvukový dálkoměr, laserový skanovací systém).

7.7.3.3 VUTBOT 1 (1996) MRS vyvinutý na VUT v Brně, Fakultě strojní, ÚVSSaR. Projekt je řešen v rámci grantu

GA ČR Praha reg. č.: 101/93/0945 pod názvem "ALR pro nebezpečná (hazardní) prostředí". Zahrnuje návrh, konstrukci, sestavení a ověření všech funkčních částí, tvořících MRS. Koncepce mechanické části je tvořena tříkolovým podvozkem (2 kola hnací s elektronickým diferenciálem a 1 kolo řídící a směrové), opatřeným DC el. pohony s impulzním řízením trakčních motorů. Rámová konstrukce nese zdroje energie (AKB s inteligentním monitoringem stavu), palubní síť (víceúrovňová), napaječe trakčních motorů i řídícího motoru, senzorický subsystém (ultrazvukový skanovací systém, infračervený aktivní systém, programovatelný laserový skanovací systém), transputerový řídící systém (paralelní řízení činnosti lokomoce, senzoriky, plánování a výběr dráhy, mapování a modelování prostředí, navigaci, pohyb v prostředí a vyhýbání se překážkám a řešení manipulačních a jiných úloh) .

obr. 33: VUTBOT 1

7.7.3.4 VUTBOT 2 (2001 až 2004) V návaznosti na záměr Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii

(společný projekt ČVUT Praha a SST Praha) a na podúkol číslo 3: Automatická manipulace v technologických pracovištích a ve výrobních systémech (robotizace a výrobní logistika) je řešen výzkum, vývoj, projekce, konstrukce, výroba, oživení, ověřovací (funkční a provozní) zkoušky, zkušební provoz a praktické užití autonomního lokomočního – mobilního robotu (v textu dále i jako zkratka ALR – MR) VUTBOT 2. Tento robot je určen pro mezioperační dopravu a automatickou manipulaci.

Tento nový MR – ALR, je již třetím rokem řešení projektu, realizován z nově vyvinutých a vyrobených, ale i běžně dostupných stavebních prvků (komponent), funkčních bloků a montážních celků jako maximálně otevřený aplikačně multifunkční a variabilní systém.

Konstrukce mobilního robotu vychází ze čtyřkolového podvozku s řiditelnou zadní nápravou a poháněnými předními koly. Robot je osazen multisenzorickým systémem pro automatickou navigaci v prostředí a identifikaci překážek a kolizních situací.

54


obr. 34: ALR VUTBOT 2

7.7.4 Komerční aplikace mobilních robotů Dle užití je možno rozlišit dvě hlavní oblasti komerčních aplikací mobilních robotů (MR):

A) civilní

B) vojenská (policejní)

ad A) Civilní využití MR

Připadají v úvahu dva druhy pracovních prostředí, ve kterých se pohybují: • prostředí definovaná jako obyčejná • prostředí označovaná jako nebezpečná člověku

Dle účelu použití lze MR rozdělit do oblastí:

7.7.4.1 Strojírenství (resp. oblast výroby a energetiky), kdy se používají: • indukčně řízené podlahové automatické dopravní vozíky (ADV= AGV) (např. typu

Robocar, Digitron aj.) k zajištění mezioperační dopravy v pružných výrobních soustavách (PVS).

• Mobilní roboty pro obslužné, manipulační a inspekční úlohy ve výbušných, chemicky kontaminovaných nebo s ionizačním zářením, jako jsou: a) důlní provozy:

- mobilní robot pro vrtání dlouhých otvorů a ražení čel štol (Automax Co. Jap.) b) jaderné elektrárny, kde jsou mobilní roboty nasazeny pro:

- provádění lehkých údržbářských prací (např.typ AIMARS od firmy Toshiba); - provádění inspekčních prací v blízkosti jaderných reaktorů (MR Toshiba, C/V robot Mitsubishi Heavy Industries); - provádění kontroly zdiva jaderných reaktorů (JGC Corp.); - provádění kontroly uvnitř potrubí (JGC Corp.); - provádění dekontaminace čištěním zamořených podlahových prostor (Toshiba Corp.);

55


- provádění přemístění a demontáž řídících tyčí reaktoru (Toshiba); - provádění nátěrů; - provádění demontážních prací (Hitachi Zosen Co.); - strážní účely (Meindusha Electric Mfg.,Co.Ltd.).

7.7.4.2 Stavebnictví Zde se používá MR k těmto vybraným činnostem:

• dokončovací práce v interiérech (např. firma Tokyu Construction Co.) • venkovní nátěry zdiva (typ KFR-1, Kumagai Gumi Co., Ltd.) • hlídání (kontrolu) vnitřních prostor budov • rozrušování zdiva vodním paprskem (např.BJ 1000, Kumagai Gumi) • nanášení betonových a jiných směsí na povrchy staveb (např. firma Ohbay Astri Corp.) • 3-D měření příčného průřezu tunelů (Kumagai Gumi)

7.7.4.3 Služby a jiné činnosti V této oblasti nacházejí MR uplatnění pro tyto činnosti:

• obsluha a doprava materiálu v nemocnicích (v ČR např. automatický dopravní systém MB 300 francouzské firmy Arcante v pražské nemocnici Na Homolce), poštách ap.

• čištění podlah budov (např. Toshiba Corp.) • čištění kanálů a větracích soustav inženýrských sítí (Wintclean Air AB Sweden) • čištění oken budov • čištění izolátorů na sloupech VVN (typ WSHT NKG Insulators, Ltd., Japan) • služby ve veřejném stravování (robot podávající tekutiny typ QG-03 Namco Ltd., Jap.)

ad B) Ve vojenském popř. policejním využití

Využití tam, kde se výhradně jedná o prostředí nebezpečné člověku, se tyto prostředky využívají jako:

1. nosič zbraňových soustav: a) v bojových podmínkách b) při protiteroristických akcích

2. nosiče manipulačních prostředků pro účely: a) průzkumu a odstraňování výbušnin b) pro odminovávání

7.8 Příklady aplikace ve strojírenské výrobě

7.8.1 Automatické dopravní vozíky v pružných výrobních soustavách S rozvojem pružných výrobních soustav (PVS) souvisí vznik a rozvoj nových

automatizovaných dopravních a manipulačních prostředků, které vyhovují požadavkům pružné automatizace. Zde nachází uplatnění tzv. indukčně řízené automatické dopravní vozíky (ADV). ADV zabezpečují horizontální přemístění materiálu (polotovarů, obrobků), nářadí, nástrojů, výrobních pomůcek, popř. odpadu. Poznatky v rozvoji PVS ukazují, že ADV jsou vhodné zejména pro oblast mezioperační a mezistřediskové dopravy, jako integrující faktor při propojení robototechnologických komplexů, automatizovaných výrobních, kontrolních a jiných pracovišť do PVS.

7.8.1.1 Charakterisktiky konstrukce ADV Pohyb ADV umožňují obvykle tři kola - dvě hnané pod zdvíhací plošinou a jedno

motoricky poháněné (hnací) umístěné v přední části, které je zároveň natáčené s protikolizním chráničem a snímačem odchylky ve směru jízdy.

56


V indukčním systému vytváří vodící stopu kabel, uložený do drážky vyfrézované v podlaze, která se po uložení vodiče zalije. Lidskému zdraví neškodné frekvence střídavého proudu vedené kabelem (viz obr. 58), vytvářejí elektromagnetické pole, které snímají indukční cívky - snímače odchylky směru jízdy, umístěné vpředu na ADV. odchylka směru je zpracovaná v stejnosměrném polohovém servosystému a tranzistorovém měniči, který natáčí hnací kolo tak, aby ADV sledoval dráhu vymezenou vodící smyčkou.

Rychlost jízdy je regulovaná tyristorovým měničem do kterého vstupuje žádaná hodnota rychlosti, generovaná palubním mikropočítačem. Ztráta magnetického pole vodící smyčky,aktivace čelního protikolizního chrániče, snímače obsazení manipulačního místa, popř. STOP tlačítek na kapotě a rámu ADV způsobí jeho okamžité zastavení, které provází akustická signalizace.

Výrobci ADV V bývalém Československu se

vývojem, výrobou a využitím ADV zabýval závod ZŤS Martin. Mezi významné zahraniční výrobce patří:

• USA: fa. Eaton Kenway - ADV typu Robocarrier XKF, XF

• Švédsko: fa. Volvo - ADV typu Autocarrier

• Švýcarsko: fa. Digitron AG - vyrábí 4 velikosti ADV a to Robocarrier RC, Robo

obr. 36: Indukčně vedené

5

obr. 35: Systém řízení ADV: 1 - zapuštěný kabel vedení 2 – drážka v podlaze 3 – indukované magnetické pole 4 - snímací anténa s cívkou

trailer RT, Robomatic RMB, RM (viz obr. 36).

ADV firmy Digitron AG

7


7.8.1.2 Jiné oblasti využití ADV Nemocnice - přeprava kontejnérů do míst přípravy (kuchyň, prádelna, lékárna, sterilovna,

spalovna odpadů) a z těchto prostor do jednotlivých míst spotřeby a nemocničních pokojů. Př. nasazení: ČR - nemocnice Na Homolce Praha, Francie - Nantes, Avignon, USA - University of Michigan Hospital. – viz obr. 37.

obr. 37: Příklad použití dopravního systému s ADV

Pošty - USA Postal Service používá ADV v 5 velkých poštách. Ředitelství koncernu - hlavní ředitelství koncernu Westinghouse používá DS s ADV, který

zajišťuje dopravu pošty, dokladů, vzorků a materiálu mezi kancelářemi, počítačovým střediskem, laboratořemi a výrobními halami, jakož i dopravu návštěvníků při prohlídce závodu.

Laboratoře - automaticky řízený vozík fy FMS (USA) je určen pro práci v lehkých laboratorních provozech (obr. 38).

obr. 38: Robotizovaný dopravní vozík fy FMS vybavený navigací

1 - manipulovaná a přepravovaná součástka (nebo kontejner) 2 chapadlo

3 - robot fy Intellidex 4 - zásobník 5 - řiditelné a hnací kolo

58


7.9 Aplikace v prostředích nebezpečných člověku Za druhou velkou skupinu průmyslových robotů a manipulátorů (1. tvoří stacionární)

používaných v prostředích nebezpečných člověku (negativně působících na zdraví člověka nebo přímo ohrožující jeho život), lze považovat pohyblivé či mobilní roboty (manipulátory nebo teleoperátory), které souhrnně nazýváme mobilními robotickými systémy (MRS).

7.9.1 Příklady užívaných MRS v radioaktivním prostředí jaderných elektráren Velká Británie - V Anglii byl vyvinut MRS nazývaný ROMAN, který má nosnost 35 kg a

rychlost pohybu po podlaze od 0 do 60 m/min v obou směrech, tj. dopředu i dozadu (viz obr. 62). Je schopen překonávat překážky do výšky 100 mm a pohybovat se i na šikmých plochách se sklonem do 15o. Na pásovém podvozku je namontován vlastní manipulátor (antropomorfní rameno), které provádí přikázané práce.

Německo - v SRN byl vyvinut pásový mobilní robot pod názvem MF 2 (2 pásy) a MF 3E (4 pásy), který je určen pro nasazování ve volném prostoru a velkých místnostech, hlavně pro dekontaminaci, inspekci a opravy.

Belgie - obdobné MRS s několika pásy vyvinula také i belgická fa ACEC, který nese jméno VAMPIR a je určen pro údržbu jaderných elektráren.

obr. 39: Mobilní robot ROMAN (Velká Británie)

Japonsko - tato země vyniká co do počtu a různorodosti vyvinutých, vyrobených a používaných MRS pro aplikace v prostředích nebezpečných člověku. Dále je uveden představitel z celé řady MRS. Společnost: Mendeisha Electric Mfg.Co.,Ltd., Nuclear technology Division,

Technical Center, Tokyo, Japan

Název MRS: MR pro strážní účely v prostorách JE

Počet stupňů volnosti: 2 pro pojezd

Hmotnost: 80 kg

Napájení: AC 100 V, 1,5 kVA

Druh pohonu: el. DC servomotory

Prostředí: teplota 0 až 40 oC, vlhkost až 80%

Způsob lokomoce: 3 článkový pásový podvozek

59


Další charakteristiky: kontrolní funkci plní 1 barevná TV kamera s 10 násobným

zvětšením a autofokusem, mikrofon, měřič úrovně radiace typu

GM-1 mR/h až 100 R/h

Řídící systém: způsob učení pomocí ovládacího panelu

Charakteristika: na tabuli je vyznačena mapa prostředí a MR může být automaticky

obr. 40: Mobilní robot pro strážní účely v jaderné elektrárně japonské firmy Meidensha

7.10 Příklad aplikace MRS ve stavebnictví Japonsko

Společnost: Tokyu Construction Co.,Ltd.,Mechanics Research Office Tokyo, Japan

Název MRS: Robot pro dokončovací práce uvnitř budov

Hlavní aplikace: dokončovací práce interiérů

Způsob řízení: číslicový

Typ mech. struktury: TTT

Napájecí napětí: AC 200 V

Počet stupňů volnosti: 4

Druh pohonu: elektrický, hydraulický , pneumatický

Hmotnost: 700 kg

Nosnost: 40 kg

Podmínky okolního prostředí: teplota 0 až 40 oC, vlkost 30 až 90 %

číslo pohybové osy: rozsah pohybů: (mm) max. rychlost: (mm/s)

1 0 - 960 80

2 0 - 100 80

3 0 - 1200 160

Způsob lokomoce: kolový podvozek, rychlost pojezdu 6 m/min.

Řídící systém: učící se způsob, senzorika-proximitní (přiblížení), fotoelektrická

(polohování), napětí- AC 100 V, paměť - programovací kontroler

Charakteristika: postupná činnost podporování, zdvíhání, polohování a šroubování

60


stropních panelů do výšek od 2,1 do 3 m v automatickém režimu

Účinky: úspory činí až 15% nákladů oproti konvenční metodě. Pro obsluhu

je zapotřebí pouze jeden člověk.

obr. 41: MRS pro dokončování interiérů japonské firmy Tokyu Construction

7.11 Příklady aplikací MRS ve službách a jiných oblastech Švédsko

Dálkově řízený MRS BANDY II fy Wintclean Air AB může čistit vnitřek kulatých i hranatých větracích soustav při minimu zásahu do klimatizace. BANDY II je vybaven kamerou, jejíž rozsah vidění je více než 180 o a je řízena za pomoci páky ručního řízení. Kamera nepřetržitě monitoruje a zaznamenává čistící proces, takže se jednotka může ovládat a vyslat na vzdálenost až 30 m do útrob klimatizace - viz obr. 42.

obr. 42: MRS typu BANDY II pro čištění klimatizačních potrubí

Čistí se mechanicky, horizontálně či vertikálně namontovaným rotujícím kartáčem. Špínu nasává výkonný vysavač Wintvac, jehož mikrofiltr s 99,997 % účinností zachycuje znečisťující částice u vstupů do budov.

Japonsko

Společnost: Toshiba Corporation, Installed Electrical Equipment

Department, Tokyo, Japan

Název MRS a hlavní aplikace: MR pro čištění podlah budov

Typ robotu: inteligentní

Hmotnost: 450 kg

Napájení: DC 24 V (AKB)

Druh pohonu: DC servomotor

Podmínky okolního prostředí: teplota 0 až 40 oC, vlhkost 20 až 80 %

61


Způsob lokomoce: kolový podvozek - 2 kola hnací, 4 nosná a řídící, rychlost 0 až 20 m/min plynule měnitelná

Řídící systém: způsob činnosti - automatický nebo ruční, senzorika - semivodivý

laserový senzor vzdálenosti, ultrasonický senzor, dotykový senzor

Charakteristika: gyroskop a laserový měřič vzdálenosti vedou MR automaticky po

stanovené trase podlahy, která je čištěna. Ultrasonický senzor robotu

reaguje na překážku v cestě a zastavuje před ní MR. Pokud je MR v

dotyku s překážkou, dotykový senzor zastaví činnost robotu. MR je

vybaven různými čistícími prostředky a je ho možno ručně navést po

trase pomocí ovládacího panelu.

obr. 43: MRS pro čištění podlah budov firmy Toshiba

7.12 Příklady aplikací MRS ve vojenství

7.12.1 Rozdělení vojenských aplikací mobilních robotů Mobilní roboty, využitelné pro průzkum výbušných zátarasů a odtarasování, lze rozdělit do tří základních skupin:

1. Malá bezosádková vozidla (MBOV) pro odstraňování výbušnin, manipulaci s podezřelými předměty a průzkum neznámých objektů.

2. MBOV určená téměř výhradně pro účely ženijního průzkumu výbušných zátarasů a odtarasování.

3. Obrněná BOV, použitelná v podmínkách vedení bojové činnosti.

ad 1) Patří sem většina vyráběných typů MRS vyvíjených a vyráběných v těchto zemích: Velká Británie: WHEELBAROW Mk8, MARAUDER, MOLE

Irsko: HOBO

USA: MPR - 800 (obr. 45), FERRET (viz obr. 44) SRN: KMR - 1 COBRA

Francie: MATRA, MC 800

Španělsko: RODE

Belgie: ANDROS

Izrael: TSR - 50, 200, 700

Austrálie: ECHIDNA

62


Česká republika: ROBOT 2

obr. 44: Soupra

Date post:	04-Nov-2019
Category:	Documents
Upload:	others
View:	6 times
Download:	0 times

Roboty a pružné výrobní systémy - fsiforum.cz a pružné... · 03.10.2010 · Podle...

Documents