Slajd 1

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

Warszawa 2013

www.wml.wat.edu.pl

ppłk dr inż. Wojciech KACZMAREK

tel. 022 683 72 83

kom. 604 529 718

pokój 31 budynek 63
Wojciech.Kaczmarek@wat.edu.pl

„Jeśli uczysz się od innych, ale sam nie pomyślisz – to najczystsze oszołomstwo.

Jeśli myślisz, ale nie uczysz się od innych – to może być dla Ciebie wręcz niebezpieczne.”

- Konfucjusz

PODSTAWY AUTOMATYKI I ROBOTYKI

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

WYKŁAD 1

ROBOTYKA JAKO DZIEDZINA NAUKI

PRAWA ROBOTYKI

KLASYFIKACJA ROBOTÓW I MANIPULATORÓW

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

1. Kaczmarek W.: „

Podstawy robotyki

”, o

pracowanie własne, Warszawa 2006.

2. Craig J. J.: „

Wprowadzenie do robotyki

”

, WNT, Warszawa, 1995r.

3. Spong M.W.: „Dynamika i sterowanie robotów”, WNT, Warszawa 1997r.

4. Honczarenko J.: „

Roboty przemysłowe. Elementy i zastosowanie

”,

WNT, Warszawa 1992.

5. Kwapisz L., Majewski R.: „

Robotyka w wytwarzaniu i montażu

maszyn

”,

skrypt Politechniki Łódzkiej, Łódź 1992.

6. Morecki A.,Knapczyk J., Kędzior K.:

„

Teoria mechanizmów i

manipulatorów

”,

WNT, Warszawa 2002r.

7. Mrozek Z.: „

Matlab 5.x

”,

Warszawa 2000.

LITERATURA

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

Strony internetowe:

LITERATURA

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

PRZEDMIOTY ZWIĄZANE Z ROBOTYKĄ

Specjalność: Automatyka i sterowanie

1. Podstawy automatyki i robotyki

2. Roboty przemysłowe

3. Elementy automatyki i robotyki

4. Modelowanie i projektowanie układów robotyki

5. Sterowniki programowalne

6. Przemysłowe układy automatyki

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

Wykłady, Laboratoria:

ppłk dr inż. Wojciech KACZMAREK

Ćwiczenia, Laboratoria:

mgr inż. Piotr PRZYBYLSKI

Laboratoria:

mgr inż. Szymon BORYS

Konsultacje: po uprzednim uzgodnieniu (środa 16.00-18.00)

PODZIAŁ GODZINOWY

Wykłady

Ćwiczenia

Laboratoria

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

ZALICZENIE

1. Ocena: test 40

%, ćwiczenia 30%, laboratoria 30%

2. Ocena bdb

(z ćwiczeń) zwalnia z zaliczenia (Test)

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

ROBOTYKA

Robotyka – interdyscyplinarna dziedzina wiedzy działająca na styku:

• mechaniki (konstrukcja mechaniczna)
• automatyki (sterowanie i regulatory)
• elektroniki (komputer i karty robota)
• sensoryki (informacje o otoczeniu)
• cybernetyki (przetwarzanie i przekazywanie informacji)
• informatyki (programowanie)
• sztucznej inteligencji (nauczanie)

Podział robotyki

• robotyka teoretyczna
• robotyka przemysłowa
• robotyka medyczna i rehabilitacyjna
• robotyka maszyn mobilnych:

• kołowych
• kroczących
• latających
• podwodnych
• kosmicznych

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

Słowo

„robot”

w językach słowiańskich oznacza

pracę

Twórcą słowa jest czeski pisarza K. ČAPEK (1890-1938).

ROBOT - GENEZA SŁOWA

„…produkować sztucznych robotników to przecież to samo co wyrabiać silniki

spalinowe. Produkcja musi być jak najprostsza, a produkt jak najlepszy,

najpraktyczniejszy…

Jaki robotnik jest dla fabryki najlepszy?...

Taki, który jest najtańszy. Który ma jak najmniej potrzeb. Młody Rossum

skonstruował robotnika mającego minimum potrzeb. Musiał go uprościć.

Odrzucił wszystko, co bezpośrednio nie wiąże się z wykonaniem pracy. W ten

właśnie sposób zlikwidował człowieka i stworzył Robota…”

Karel Čapek: R.U.R - Rossum’s Universal Robots

– w przekładzie Andrzeja Sieczkowskiego

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

ROBOT - DEFINICJA

ROBOT

Maszyna przypominająca wyglądem człowieka, zdolna do wykonywania różnych

złożonych czynności właściwych człowiekowi (mówienie, chodzenie, manipulacja).

Mechanizm sterowany automatycznie.

(Słownik Merriam-Webster Collegiate, 1999)

ROBOT ROZUMNY

Hybryda człowieka i robota o inteligencji znacznie przewyższającej biologiczny

rodzaj ludzki; po raz pierwszy pojawił się w XXI wieku. Gatunek dominujący w

Układzie Słonecznym Ziemi. (Słownik Microsoft Universal, 2100)

FRIDA

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

PRAWA ROBOTÓW

Pierwsze prawo:

Robot nie może ingerować w działanie człowieka,

oprócz tych działań, które szkodzą człowiekowi.

Drugie prawo:

Robot musi być posłuszny rozkazom wydawanym przez człowieka,

oprócz tych rozkazów, które są sprzeczne z pierwszym prawem.

Trzecie prawo:

Robot musi chronić swoją egzystencję,

oprócz tych przypadków, które są sprzeczne z pierwszym lub drugim prawem.

Isaac Asimov amerykański pisarz fantastyki naukowej

- kanony robotyki (1942 r.)

Zerowe prawo:

Robot nie może szkodzić ludzkości,

ani nie może, narazić ludzkości na szkodę.

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

PRAWA ROBOTÓW

Czwarte prawo:

Robot musi ujawnić swoją naturę robota

W szczególności robot nie może udawać człowieka.

Piąte prawo:

Im bogatsze jest wyposażenie robota w układy czujnikowe,

zapewniające percepcję warunków otoczenia, a w szczególności

możliwości autonomicznego określania działań przez jego układ

sterowania, tym może być uboższa jego konstrukcja

Ten dopuszczalny stopień jest zależny od celu, który został przed

robotem postawiony oraz od możliwości zrealizowania tego celu przez

robota.

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

ROBOTY JAKIE ZNAMY DZISIAJ

Połączenie teleoperatorów i maszyn CNC

Teleoperatory

– rozwijane podczas II wojny światowej

(manipulowanie radioaktywnymi substancjami)

Maszyny CNC

– budowa urządzeń charakteryzujących się dużą dokładnością

zwłaszcza dla zastosowania w technice lotniczej

Pierwsze roboty cechy:

manipulacyjne teleoperatorów

- programowe obrabiarek numerycznych

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

PIERWSZY ROBOT – połączenie teleoperatora z CNC

Georg Devol i Joseph Engelberger – 1954 budowa pierwszego robota

UNIMATE

rozpoczął pracę w fabryce Forda w 1961 roku, wyznaczając kierunek

rozwoju automatyki i robotyki.

Pierwszy robot – UNIMATE

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

RODZINA ROBOTÓW

LATAJĄCE

PŁYWAJĄCE

KOŁOWE

KROCZĄCE

PEŁZAJĄCE

HUMANOIDY

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

GENERACJE ROBOTÓW

Roboty II generacji

• zamknięty układ sterowania
• czujniki pozwalające dokonywać pomiarów podstawowych parametrów

stanu robota i otoczenia

• taktyka uzyskania optymalnego efektu działania
• rozpoznawanie obiektów (również podczas ruchu obiektu z innymi

obiektami) bez względu na jego położenie i kształt geometryczny

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

KLASYFIKACJA ROBOTÓW

Robot

moblilny

stacjonarny

z otwartym

łańcuchem

kinematycznym

z zamkniętym

łańcuchem

kinematycznym

kartezjański

cylindryczny

SCARA

PUMA

sferyczny

polarny

złożony

tripod

hexapod

poruszający się

po stałym torze

Autonomiczny

monolityczne

modułowe

pseudomodułowe

sekwencyjny

zadaniowy

adaptacyjny

teleoperator

pneumatyczne

hydrauliczne

silnik obrotowy

siłownik linowy

siłownik linowy

silnik obrotowy

siłownik wahadłowy

elektryczne

prądu stałego

prądu przemiennego

silnik skokowy

mieszane

Kryteria podziału:

ze względu na strukturę kinematyczną

ze względu na budowę jednostki kinematycznej

ze względu na sterowanie

ze względu na rodzaj napędów

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

ROBOTY W UKŁADZIE KARTEZJAŃSKIM

Robot kartezjański Toshiby

Roboty cylindryczny model

CS4130A Denso

ROBOTY W UKŁADZIE CYLINDRYCZNYM

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

ROBOTY SCARA - Selective Compliance Assembly Robot Arm

Robot RX90

Stäubli

Robot TH250 Toshiby

ROBOTY PUMA – Programmable Universal Machine for Assembly

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

ROBOT O RÓWNOLEGŁEJ STRUKTURZE KINEMATYCZNEJ - TRIPOD

ROBOT O RÓWNOLEGŁEJ STRUKTURZE KINEMATYCZNEJ - HEXAPOD

IRB 340 firmy ABB

F-200iB firmy FANUC

M-3iA firmy Fanuc

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

KLASYFIKACJA ROBOTÓW ZE WZGLĘDU NA STEROWANIE

Robot sekwencyjny - wykonujący kolejno (sekwencyjnie) zaprogramowane ruchy.

Robot zadaniowy - realizujący zadane trajektorie

Robot adaptacyjny - mający sensoryczny, adaptacyjny bądź uczący się układ

sterowania.

Teleoperator - sterowaniem zdalnym, realizowanym przez operatora lub komputer.

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

PRZESTRZENIE ROBOCZE ROBOTA

GŁÓWNA PRZESTRZEŃ ROBOCZA – w jej obrębie przemieszcza się konstrukcyjne

zakończenie ramienia robota (najczęściej uchwyt do efektora).

2. POMOCNICZA

PRZESTRZEŃ ROBOCZA – w jej obrębie przemieszcza się efektor,

ewentualnie dodatkowe zamienne elementy manipulatora.

PRZESTRZEŃ KOLIZYJNA – w jej obrębie przemieszczają się

wszystkie elementy robota.

4. STREFA

ZAGOŻENIA – to przestrzeń zabroniona przepisami i normami

(związana z bezpieczeństwem pracy).

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

ROBOT – MANIPULATOR - PEDIPULATOR

Robot

to urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji

niektórych funkcji

manipulacyjnych i lokomocyjnych człowieka

, mające pewien

poziom

inteligencji maszynowej

Manipulator

to urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji niektórych

funkcji manipulacyjnych

, tzn. funkcji kończyny górnej człowieka, w których

można wyróżnić funkcje manipulacyjne i wysięgnikowe.

Pedipulator

jest to kończyna dolna, "noga" maszyny kroczącej.

Pedipulator może być układem jedno lub kilkuczłonowym.

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

MANIPULATOR – POJĘCIA OPISOWE

• człon automatyki
• współrzędne globalne
• współrzędne regionalne
• współrzędne lokalne
• kinematyka manipulatora
• stopnie swobody
• notacja Denevita-Hartenberga

Pozwalają one w sformalizowany sposób opisać budowę manipulatora oraz

zależności występujące pomiędzy kolejnymi elementami składowymi.

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

PARY KINEMATYCZNE

Para kinematyczna to połączenie ruchowe dwóch członów mechanizmu.

Para kinematyczna odbiera część stopni swobody członom przez nią związanym.

Pary kinematyczne dzieli się na klasy w zależności od:

• liczby więzów
• od tego jakie rodzaje ruchu są przez parę dopuszczane lub ograniczane.

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

Klasa

Liczba

więzów

Liczba

stopni

swobody

I postać

II postać

III postać

Liczba ruchów Obrót Posuw

dopuszczalna

ograniczona

Klasa

Liczba

więzów

Liczba

stopni

swobody

I postać

II postać

III postać

Liczba ruchów Obrót Posuw Liczba ruchów Obrót Posuw

dopuszczalna

ograniczona

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

Klasa

Liczba

więzów

Liczba

stopni

swobody

I postać

II postać

III postać

Liczba ruchów Obrót Posuw Liczba ruchów Obrót Posuw Liczba ruchów

Obrót

Posuw

dopuszczalna

ograniczona

Klasa

Liczba

więzów

Liczba

stopni

swobody

I postać

II postać

III postać

Liczba ruchów Obrót Posuw Liczba ruchów Obrót Posuw

dopuszczalna

ograniczona

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

Klasa

Liczba

więzów

Liczba

stopni

swobody

I postać

II postać

III postać

Liczba ruchów Obrót Posuw Liczba ruchów Obrót Posuw

dopuszczalna

ograniczona

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

STOPNIE SWOBODY

Liczba stopni swobody punktu na płaszczyźnie

- 2 (TT)

Liczba stopni swobody punktu w przestrzeni

- 3 (TTT)

Liczba stopni swobody ciała na płaszczyźnie

- 3 (TTR)

Liczba stopni swobody ciała w przestrzeni

- 6 (TTTRRR)

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

OSIE ROBOTA

Liczba osi robota jest równa liczbie zmiennych robota, które są

aktywnie sterowane.

Każde połączenie ruchowe (obrotowe lub posuwiste), sterowalne lub nie, dodaje

stopień ruchliwości do robota.

4 osie

6 osi

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

STOPNIE SWOBODY ROBOTA

dwie aktywnie sterowane osie - 2 stopnie swobody

trzy aktywnie sterowane osie - 3 stopnie swobody

W tym miejscu staje się oczywiste, że w celu posiadania n stopni swobody

robot musi mieć przynajmniej n osi.

Więcej osi niż stopni swobody - osie nadmiarowe (redundantne)

• poprawy charakterystyk ruchu

• problemy ze sterowaniem

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

LICZBA STOPNI SWOBODY ROBOTA

n=4

pary kinematyczne klasy V,

=4 (2 obrotowe i 2 pryzmatyczne).

w - liczba stopni swobody

n - liczba członów łańcucha

– liczba połączeń członów, kinematycznych o i-tej klasie

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

LICZBA STOPNI SWOBODY ROBOTA

n=5

pary kinematyczne klasy V,

=5 (3 obrotowe i 2 pryzmatyczne).

w - liczba stopni swobody

n - liczba członów łańcucha

– liczba połączeń członów, kinematycznych o i-tej klasie

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

LICZBA STOPNI SWOBODY ROBOTA

w - liczba stopni swobody

n - liczba członów łańcucha

– liczba połączeń członów, kinematycznych o i-tej klasie

n=4

=1, p

=5 (1 kulowy (klasa 3) i 3 (klasa 5)).

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

RUCHLIWOŚĆ, MANEWROWOŚĆ

Ruchliwość

- liczba stopni swobody łańcucha kinematycznego

mechanizmu z unieruchomionym:
• członem podstawą

Manewrowość

- liczba stopni swobody łańcucha kinematycznego

mechanizmu z unieruchomionymi:
• podstawą
• ostatnim członem w łańcuchu kinematycznym

Określa liczbę więzów, jaką należałoby nałożyć na mechanizm, aby

go całkowicie unieruchomić

Określa liczbę więzów, jaką należałoby nałożyć na mechanizm, aby

go całkowicie unieruchomić (chwytak lub narzędzie jednostki

kinematycznej zajmuje ściśle określone położenie)

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

DOKŁADNOŚĆ, POWTARZALNOŚĆ

Dokładność

- miara określająca, jak blisko manipulator może

przemieścić się do danego, wybranego punktu swojej przestrzeni

roboczej.

Powtarzalność

- określa jak blisko, powtarzając ruch

manipulator może przemieścić się do tego samego punktu

ponownie.

Na dokładność manipulatora wpływają:
• błędy obliczeniowe
• dokładność obróbki poszczególnych elementów konstrukcyjnych
• elastyczność poszczególnych członów
• luzy w przekładniach
• wiele innych elementów statycznych i dynamicznych

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICWA

Wojskowa Akademia Techniczna

Wydział Mechatroniki i Lotnictwa

ROZDZIELCZOŚĆ

osc

rozdzielcz



Rozdzielczość

– najmniejszy przyrost ruchu jaki układ

sterowania może rozpoznać.

s – całkowita droga ruchu

n – liczba bitów określająca rozdzielczość enkodera

Osie liniowe – zalety:
• większa rozdzielczość (linia prosta pomiędzy dwoma punktami jest krótsza

niż łuk zakreślony przez końcówkę członu obrotowego)

• słabe wzajemne sprzężenia kinematyczne i dynamiczne między członami

(mniejsze błędy pozycjonowania)

Osie obrotowe – zalety:
• większa zwinność ruchów (duża manewrowość)
• zwarta konstrukcja