PREDAVANJE 2. FUNKCIONALNA STRUKTURA...
Transcript of PREDAVANJE 2. FUNKCIONALNA STRUKTURA...
1
PREDAVANJE–2. FUNKCIONALNA STRUKTURA ROBOTA
Osnovni stavovi iz teorije mehanizama Teorija mehanizama kao oblast nauke i tehnike proučava sisteme tela međusobno
povezanih raznim tipovima veza.
Mehanizmi čine osnovu svih mašina, s tim što se kod mehanizama jedna vrsta
kretanja pretvara u drugu, a kod mašine se jedna vrsta energije pretvara u drugu.
Kinematički parovi Svaki mehanizam se sastoji iz pokretnih članova (segmenata) i nepokretnih članova
(postolja).
Kinematički par podrazumeva dva međusobno povezana tela. U zavisnosti
od načina vezivanja ta dva dela, kinematičke parove delimo na određene klase. Da
bismo te klase mogli definisati razmotridemo mogude načine veze dva tela.
1. Posmatrademo prvo jedno slobodno telo.
Ono može da se krede na šest nezavisnih različitih načina: može da se krede
translatorno duž osa x, y, z i može da se obrde oko svake od tih osa (vidi sliku 2.1),
dakle ima tri slobodne translacije i tri slobodne rotacije. Iz toga zaključujemo da je
potrebno šest veličina (koristidemo izraz parametri) da bi se jednoznačno odredio
položaj tela: tri parametra da bi se odredilo translatorno kretanje i tri da bi se
odredilo rotaciono kretanje, odnosno orijentacija tela.
2
Sl.2.1.Moguda kretanja slobodnog tela (6 stepeni slobode)
Broj stepeni slobode je broj slobodnih (odnosno mogudih) nezavisnih
kretanja, ili drugačije rečeno, to je broj nezavisnih parametara koji su potrebni da bi se jednoznačno odredio položaj tela.
2. Posmatrajmo sada dva tela, valjak i klešta, međusobno vezana na način kako je to pokazano na slici 2.2.
Valjak, u odnosu na klešta ima dve slobodne transla-cije (duž x i y ose) i dve slo-
bodne rotacije (oko x i z ose), dakle postoje ukupno 4 slobodna međusobna
kretanja ova dva tela. Zato kažemo da ovaj kinematicki par ima 4 stepena slobode.
U tabeli na slici 2.3 dati su neki slučajevi kinematickih parova, njihova moguda
kretanja, broj stepeni slobode i klasa kinematičkog para.
Sl. 2.2. Primer kinematičkog para sa 4 stepena slobode
3
Za primenu u robotici najvažniji su kinematički parovi pete klase.
Kinematicki par pete klase koji dozvoljava samo jednu rotaciju zvademo rotacionim
parom ili rotacionim zglobom, a par koji dozvoljava samo jednu translaciju
zvademo translatornim parom ili translatornim zglobom. Te parove demo
shematski crtati kao na slici 2.4.
Sl. 2.3. Izgled kinematičkih parova
4
Sl. 2.4. Rotacioni (a) i translatorni (b) zglob
Kinematički lanci
Nizove tela povezanih kinematičkim parovima nazivamo kinematičkim
lancima. Ovde demo podrazumevati da su veze oblika rotacionih ili translatornih
zglobova. Shematski, kružid između dva predstavlja bilo koji od zglobova
(sl.2.5.).Složeniji zglobovi razlažu se na zglobove pete klase između kojih se nalaze
kratki segmenti.
Sl. 2.5. Lančani sistem tela
Svako telo, elemenat lanca, nazivademo segmentom lanca. Segmente lanca
smatramo krutim, nedeformabilnim telima. Lanac se, dakle, sastoji od niza zglo-
bova i segmenata. Zglobovi su obeleženi sa , a segmenti sa 1,2, ...
1. Kinematičke lance možemo podeliti na: proste i razgranate
5
Prost lanac podrazumeva samo jedan niz segmenata pri čemu svaki segment ima
dva zgloba, prethodni i naredni, a samo poslednji u nizu ima jedan zglob. Takvi
lanci prikazani su na slici 2.6.
Razgranat lanac podrazumeva da bar jedan segment lanca nosi tri ili više zglobova
(jedan prethodni i dva ili više narednih). Dakle, lanac se grana (sl. 2.7).
Sl. 2.7. Shema razgranatog lanca U praktičnim realizacijama robotskih sistema razgranati lanci se sredu, na primer, kod antropomorfnih hodajudih robota (sl. 2.8).
a) b)
Sl. 2.8. Shemu antropomorfnog hodajudeg robota
Kinematički lanci su posebno važni u robotici zato što mehanizam svakog robota predstavlja, u stvari, jedan kinematički lanac. Na slici 2.6 predstavljeno je nekoliko manipulacionih robota i shematski su prikazani odgovarajudi kinematički lanci.
6
Sl. 2.6. Primeri manipulacionih robota sa odgovarajudim kinematičkim lancima
2. Po drugoj podeli kinematički lanci se dele na otvorene i zatvorene.
Otvoreni lanci su oni kod kojih ne postoji zatvoreni niz, tj. iz jedne tačke lanca u
drugu može se dodi samo jednim putem. Primeri ovakvih lanaca su na sl. 2.6 i 2.7.
Na sl. 2.8 (b) prikazan je antropomorfni hodajudi mehanizam u jednooslonačkoj fazi
hoda (oslonac na jednu nogu) i u toj fazi predstavlja otvoreni lanac.
7
Prost otvoren Slozen otvoren Prost zatvoren
Zatvoreni lanci poseduju bar jedan zatvoreni niz segmenata i tada se iz jedne tačke
tog niza u drugu može dodi bar na dva načina. Praktičan primer bio bi hodajudi
robot u dvooslonačkoj fazi hoda (obe noge na zemlji) prikazan na sl. 2.8 (a), kod
koga noge sa podlogom obrazuju zatvoreni niz, ili pak bilateralni(dvoručni)
manipulacioni robot prikazan na sl. 2.9.
Sl. 2.9. Dvoručni manipulacioni robot
Kombinacija prostih i složenih lanaca koji mogu biti otvoreni i zatvoreni: Za robotske mehanizme karakteristično je da tokom rada robota kinematički lanac
menja svoju strukturu od otvorene ka zatvorenoj i obrnuto. Na sl. 2.10 prikazan je
manipulacioni robot koji u fazi prenošenja predmeta (faza a) predstavlja otvoreni
lanac, a u fazi uvlačenja predmeta u otvor (faza b) predstavlja zatvoreni lanac. U
fazi b lanac je zatvoren jer ruka sa radnim predmetom, podloga robota i zid
obrazuju zatvoreni niz. Primer prikazan na ovoj slici deo je zadatka montaže.
8
a) b)
Sl. 2.10. Manipulacioni robot u zadatku montaže
Stepeni slobode kinematičkog lanca Ranije smo uveli definiciju broja stepeni za jedan kinematički par.
Slededi takvu definiciju dolazimo do toga da je broj stepeni slobode zglobnog
kinematičkog lanca jednak broju mogudih nezavisnih kretanja tog lanca, odnosno
jednak broju nezavisnih parametara potrebnih da bi se jednoznačno odredio
položaj celog lanca. Posmatrademo kinematičke lance sa zglobovima V klase,
rotacionim ili translatornim.
Sl. 2.11.Lanac sa tri stepena slobode – otvoreni lanac
Ako je u pitanju otvoreni lanac, tada je za definisanje položaja potrebno znati
pomeranja u svim zglobovima lanca, dakle za koji ugao je obrnut svaki rotacioni
zglob i koliki je pomeraj u svakom translatornom zglobu. Naime, kod takvih lanaca
9
zglobovi su međusobno nezavisni i pomera-nja u zglobovima mogu biti proiz-
voljna. Na primer, kod lanca na slici 2.11 potrebno je znati uglove i i
izduženje s3 pa takav kinematički lanac ima tri stepena slobode. Možemo
zaključiti da je kod otvorenih lanaca broj stepeni slobode jednak broju
zglobova.
Sl. 2.12. Primer zatvorenog lanca
Kod zatvorenih lanaca problem je složeniji. Broj stepeni slobode lanca nije
jednak broju zglobova. Posmatrajmo mehanizam prikazan na slici 2.12. Ovaj
zatvoreni lanac ima pet zglobova, svaki sa po jednim rotacio-nim stepenom
slobode. Za određivanje položaja ovog lanca potrebno je znati uglove i , tj.
dovoljno je znati dva parametra. Dakle, lanac ima dva stepena slobode iako
ima pet zglobova.
10
rang
klase
broj
SS VRSTE REALIZACIJA
I 5
II 4
III 3
IV 2
V 1
11
Funkcionalna struktura industrijskog robota Industrijski robot se kao složen sistem sastoji iz velikog broja međusobno povezanih
interaktivnih sistema.
Tipičan primer strukture jednog savremenog industrijskog robota je prikazan na slici
(može se redi da bi ovo odgovaralo anatomiji robota):
Uprošćeni-šematski izgled robota koji ima:
ruku (osnovna konfiguracija) i
završni mehanizam, koji čine zglobovi šake za koje se vezuje endefektor.
Završni mehanizam ose orjentacije,
zglobovi šake (wrist)
Završni organi, end efektori,
radni organi
(Tip) Vrh robota
TCP (Tool Center Point)
Mobilne dodatne ose (robokolica)
Ruka,
osnovna ili
minimalna
konfiguracija,
ose
pozicioniranja
12
Vidimo da se robot sastoji iz šest osnovnih podsistema koji izvršavanjem
svojih funkcija izvršavaju ukupnu funkciju robota:
1.Mehanički sistem
2.End efektori
3.Upravljački sistem
4.Pogonski sistem
5.Merni sistem
6.Senzorski sistem
1. Mehanički sistem
Naziva se još i mehanička struktura, mehanizam robota ili manipulator.
Ovaj sistem ima osnovnu funkciju uspostavljanja prostornih odnosa između
end efektora (alata ili hvatača) i radnog objekta.
U opštem slučaju potrebno je 6 stepeni slobode kretanja da bi se telo
slobodno pozicioniralo u prostoru (u ovom slučaju - end efektor).
Prva tri stepena slobode su osnovna(minimalna) konfiguracija (ruka) i
nazivaju se STEPENI SLOBODE ili OSE POZICIONIRANJA.
Druga tri stepena slobode su ose orijentisanja i izvode ih zglobovi šake.
Manipulator se sastoji iz segmenata povezanih obrtnim ili translatornim
zglobovima koji su osnaženi pogonskim sistemima, obično je fiksiran za podlogu ali
može imati i dodatne (mobilne) ose ili robokolica (AGV). Može se napomenuti da je
korišdenje reči MANIPULATOR za jednostavne robote POGREŠNO!!!
2. End efektori
Nazivaju se još i završni uređaji ili radni organi.
13
Oni mogu biti alati ili hvatači koji imaju zadatak hvatanja i držanja objekata
(hvatači) ili imaju ulogu obavljanja procesa (alati) kao što su zavarivanje, bojenje,
obrada, itd.
3. Upravljački sistem
Ovaj sistem omogudava memorisanje, odvijanje toka programa, vezu sa
perifernim uređajima, upravljanje i nadgledanje izavršavanja pojedinih funkcija.
Na današnjem nivou razvoja, upravljački sistemi su gotovo uvek zasnovani na primeni računara. Po načinu kretanja, upravljanje može biti:
tačka po tačka, ili
upravljanje po koturi.
4. Pogonski sistem
Ovaj sistem ima funkciju pretvaranja i prenosa energije do pojedinih osa. To
su električni, pneumatski ili hidraulični motori sa ili bez prenosnika.
5. Merni sistem
Ovaj sistem predstavljaju unutrašnji senzori koji omogudavaju merenje
položaja i brzine pojedinih osa (potenciometri, enkoderi, rizolveri, taho-generatori,
itd.)
6. Senzorski sistem
Ovaj sistem omogučava obuhvatanje uticaja okoline, merenje fizičkih veličina i
prepoznavanje oblika i položaja.
14
Klasifikacija robota
Klasifikacija je moguda po više kriterijuma:
po nameni;
stepenu univerzalnosti;
kinematičkim, geometrijskim i energetskim parametrima;
po metodama upravljanja.
Prema JARA klasifikaciji (Japanese Robot Association) po tipu upravljanja roboti se
svrstavaju u 5 klasa:
1. Ručni manipulacioni uređaji: su uređaji sa nekoliko stepeni slobode kojima
upravlja čovek;
2. Sekvencijalni roboti: manipulacioni uređaji sa fiksnim ili promenljivim
sekvencijalnim upravljanjem (teško se programiraju);
3. Ponavljajudi (play back) roboti: operator izvršava zadatak vodedi robot koji
memoriše trajektorije koje se kasnije ponavljaju;
4. NU roboti: programiraju se tekstualnim jezicima slično kao NUMA;
5. Adaptivni roboti: korišdenjem senzorske informacije i veštačke inteligencije
(AI) ovi roboti razumeju zadatak i okolinu i donose odluku u realnom
vremenu.
Druga klasifikacija deli IR na generacije:
I generacija (programski roboti) - do 4. iz prethodne klasifikacije;
II generacija (adaptivni roboti) - 5. iz prethodne klasifikacije;
III generacija (inteligentni roboti) - 5. i dalje iz prethodne klasifikacije.
Za razliku od računara, generacije robota ne smenjuju jedna drugu iz razloga
postojanja različitih nivoa zadataka u industriji.
15
Prema nameni, IR se grubo mogu klasifikovati na slededi način:
Tehničke karakteristike IR
broj stepeni slobode
radni prostor
nosivost
tačnost pozicioniranja
ponavljajuda tačnost pozicioniranja
rezolucija
brzina
manipulacija obavljanje
procesa
manipulacija i
obavljanje proc. specijalni
zadaci
zavarivanje rezanje bojenje sečenje laserom ...
montaža ...
merenje i kontrola ...
paletizacija/ depaletizacija
opsluživanje
mašina
INDUSTRIJSKI ROBOTI