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