Definicje i klasyfikacja robotów przemysłowych

1. Definicje podstawowe

Do dalszych rozważań przyjęto dwa podstawowe określenia, a mianowicie:

Manipulator - część mechaniczna, czyli maszyna przeznaczona do realizacji niektórych
funkcji kończyn górnych człowieka.
Robot - urządzenie przeznaczone do realizacji niektórych czynności manipulacyjnych i
lokomocyjnych człowieka, mające pewien określony poziom inteligencji maszynowej.

Podstawowym pojęciem w robotyce jest robot, określany również w literaturze jako

maszyna manipulacyjna z programowanym ruchem.  W literaturze technicznej istnieje wiele
definicji określających robota przemysłowego. W każdej w różnym stopniu wyszczególniono
cechy   charakteryzujące   te   urządzenia.   Zaliczyć   do   nich   można:   możliwość   wykonywania
głównych   lub   pomocniczych   czynności  w  zależności   od   procesu   technologicznego   (np.
zgrzewanie lub manipulacja przedmiotem), co wymaga kilku niezależnych stopni swobody
(np.   co   najmniej   dwóch),   programowalność,   tj.   możliwość   odtwarzania   nauczonych   w
procesie uczenia ruchów oraz zmiany programu w zależności od potrzeb.
Podstawową definicję robota można znaleźć w Encyklopedii Powszechnej PWN:
„Robot   -   urządzenie   (maszyna)   przeznaczone   do   realizacji   niektórych   czynności
manipulacyjnych, lokomocyjnych, informacyjnych i intelektualnych człowieka”.

Definicja robota wg normy ISO ITR 8373:

„Manipulacyjny   robot   przemysłowy   jest   automatycznie   sterowaną,   programowaną,
wielozadaniową maszyną manipulacyjną o wielu stopniach swobody, posiadającą własności
manipulacyjne   lub   lokomocyjne,   stacjonarną   lub   mobilną,   dla   ważnych   zastosowań
przemysłowych".

Według Moreckicgo „robot to urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji

niektórych czynności manipulacyjnych i lokomocvjnvch człowieku, mające określony poziom
energetyczny,   informacyjny   i   sztucznej   inteligencji   (autonomii   działania   w   pewnym
środowisku)". Morecki definiuje również robota przemysłowego jako szczególny przypadek
robota:  „urządzenie techniczne do zastępowania człowieka przy wykonywaniu określonych
czynności   manipulacyjnych,   przystosowane   do   realizacji   rożnych,   łatwo   zmienianych
programów ruchu manipulacyjno-transportowego, użytecznego w procesie produkcyjnym”.

Niederliński stwierdza, że „roboty są narzędziami sterowanymi automatycznie,

dającymi   się   zaprogramować   do   wykonania   dużej   liczby   różnorodnych   sekwencji
precyzyjnych czynności manipulacyjnych,  jak np. uchwycenie przedmiotu, przemieszczenie
przedmiotu   (przeniesienie,   obrócenie),   pozostawienie   przedmiotu   w   określonej   pozycji,   w
kreślonym miejscu (zakładanie, zdejmowanie). Sekwencje wymienionych czynności mogą być
uzależnione   od  stanu  obsługiwanego  narzędzia  oraz  manipulowanego   przedmiotu   i  mogą
z kolei sterować obsługiwanym narzędziem”. Jak stwierdzają Buda i Kovač „pojęciem robot
przemysłowy   nie   należy   obejmować   nieprogramowanych,   jednozadaniowych   automatów
czynnościowych,   sterowanych   przez   człowieka   urządzeń   nianipulacyjnych   (manipulatory)
oraz   urządzeń,   w   których   człowiek   stanowi   jeden   z   elementów   układu   (teleoperatory)”.
Jednakże, jak pisze Jaroń, „cała nauka o robotach znajduje się jeszcze w powijakach, a próby
jej sformalizowania, łącznie z ogólną definicją robotów są jeszcze w studium początkowym”.
Reasumując, można powiedzieć, że: „Pod pojęciem robot przemysłowy rozumie się
manipulator wielofunkcyjny, skonstruowany dla przenoszeniu materiałów, części, narzędzi
lub specjalnych przyrządów mający programowane ruchy w celu wykonania różnorodnych
zadań”. Zasadnicze znaczenie w tej definicji ma programowalność i różnorodność
wykonywanych ruchów.

2. Klasyfikacja robotów przemysłowych

Jak już stwierdzono, nauka o robotach nie jest jeszcze w pełni sformalizowana i jako

nauka interdyscyplinarna, związana z mechaniką, sterowaniem, inteligencją maszynową i
zagadnieniami społecznymi, jest szczególnie trudna do zdefiniowania. Stąd też spotyka się w
literaturze różne ujęcia problemu klasyfikacji robotów.

Klasyfikację robotów przemysłowych można prowadzić na podstawie różnych,

podanych dalej wyróżników. Roboty przemysłowe można klasyfikować, biorąc pod uwagę
zasadnicze cechy budowy, rodzaj sterowania lub inne kryteria podziału, np. dokładność
pozycjonowania, mobilność.

2.1. Klasyfikacja robotów ze względu na budowę jednostki kinematycznej

Ze względu na sposób budowy jednostki kinematycznej maszyn manipulacyjnych dzieli

się je na: monolityczne, modułowe i pseudoodułowe.

Do jednostek monolitycznych zalicza się jednostki kinematyczne o niezmienialncj

konstrukcji mechanizmu (stałej strukturze kinematycznej). Konstrukcję monolityczną
użytkownik może co najwyżej uzupełnić chwyta kiem, narzędziem oraz dopuszczonymi przez
producenta (opcyjnymi) zespołami ruchu.

Jednostki modułowe producent dostarcza w postaci oddzielnych zespołów ruchu

(modułów)   -  użytkownik  zestawia  z  nich  mechanizm  o  zaprojektowanej   odpowiednio   do
potrzeb strukturze kinematycznej. Jakkolwiek producent nie ogranicza zbioru możliwych do
zestawienia   struktur,   to   jednak   z   reguły   narzuca   porządek   łączenia   modułów,   określony
statyczną   i   dynamiczną   wytrzymałością   konstrukcji,   charakterystykami   napędów   (np.
udźwigiem) itp.

Jednostki pseudomodułowe to jednostki kinematyczne o stałej, podobnie jak w

rozwiązaniach monolitycznych, strukturze kinematycznej, ale o dopuszczonej przez
producenta możliwości wymiany przez użytkownika robota niektórych zespołów ruchu, z
reguły ostatnich w łańcuchu kinematycznym zespołów ruchu.

2.2. Klasyfikacja robotów ze względu na strukturę kinematyczną

Klasyfikację robotów przemysłowych pod względem struktury kinematycznej pokazano

na rys. 1.

Ze względu na strukturę kinematyczną zespoły mechaniczne robotów przemysłowych

mogą być rozwiązane jako:

 roboty stacjonarne,

lub

 roboty mobilne, które mogą przemieszczać się względem podłoża.
Oczywiście możliwe jest także połączenie obu tych układów.

Manipulatory, czyli jednostki kinematyczne robotów, są zbudowane jako układ członów

połączonych ruchowo za pomocą tzw. par kinematycznych. Człony te mogą być łączone:

 szeregowo, tworząc otwarty łańcuch kinematyczny,
 równolegle, tworząc zamknięty łańcuch kinematyczny.

Wśród tradycyjnych rozwiązań robotów stacjonarnych o szeregowym układzie

kinematycznym wyróżnia się grupy typowych rozwiązań, charakteryzujących się podobnym
układem zespołów ruchu (strukturą kinematyczną), definiowanym przez tzw. naturalny dla
danej struktury układ osi współrzędnych oraz formę przestrzeni roboczej. W tej grupie
robotów można wyróżnić następujące zasadnicze rozwiązania konstrukcyjne.

Rys. 1. Klasyfikacja robotów przemysłowych

1) Robot w układzie kartezjańskim (prostokątnym), o prostokątnym układzie osi

współrzędnych, o trzech liniowych zespołach ruchu regionalnego oraz prostopadłościennych
przestrzeniach ruchu - rys. 2a. Konfiguracja ma prostokątny układ osi współrzędnych oraz
prostopadłościenną przestrzeń ruchu.

2) Robot w układzie cylindrycznym, o jednym obrotowym i dwóch liniowych zespołach

ruchu   regionalnego,   walcowym   układzie   osi   współrzędnych   oraz   cylindrycznych
przestrzeniach   ruchu   -   rys.   2b.   Jak   sugeruje   nazwa,   zmienne   przegubowe   są   zarazem
współrzędnymi   cylindrycznymi   końcówki   roboczej   względem   podstawy.   Konfiguracja
cylindryczna ma walcowy układ osi współrzędnych oraz cylindryczne przestrzenie ruchu.

3) Robot SCARA (ang. selectively compliant assembly robot arm). Jak wynika z nazwy

angielskiej (tłum. selektywnie podatne ramię robota montażowego), robot ten zaprojektowano
z myślą o zadaniach montażowych, ma on trzy osie równoległe, dwie o ruchu obrotowym, a
jedną o postępowym - rys. 2c. Konfiguracja SCARA ma strukturę RRP, jednak różni się
zdecydowanie od konfiguracji sferycznej zarówno wyglądem, jak i możliwościami
zastosowania.

4) Robot PUMA (ang. programmable universal manipulator for assembly) jest

przeznaczony specjalnie do zadań montażowych - rys. 2d. Robot o konfiguracji PUMA ma
strukturę kinematyczną taką, jak robot przegubowy, ale różni się od niego wyglądem i
możliwymi zastosowaniami.

5) Robot o strukturze sferycznej, o jednym liniowym oraz dwóch obrotowych zespołach

ruchu regionalnego, jest przedstawiony na rys. 2e.

6) Robot o strukturze przegubowej (rys. 2f) nazywany również manipulatorem obrotowym

lub manipulatorem antropomorficznym ma wszystkie obrotowe osie zespołów ruchu
regionalnego.

7) Robot wielokorbowy - rys. 2g.

Częstość występowania określonych struktur kinematycznych dla podstawowych

układów współrzędnych przemieszczenia ramienia robota była przedmiotem wielu analiz oraz
ocen. Stwierdzono w najnowszych rozwiązaniach wysoki wzrost udziału procentowego par
kinematycznych  realizujących  układ współrzędny sferyczny i przegubowy ze wskazaniem
zdecydowanej przewagi trzech par obrotowych (przyrost z 2 do 20% w latach 1974- 1984).
Wydaje   się,   że   tendencja   będzie   się   utrzymywać   ze   względów   eksploatacyjnych   (np.
możliwość przenoszenia znacznych ciężarów) oraz dużej objętości przestrzeni roboczej. W
przypadku   robotów   przeznaczonych   do   obsługi   obrabiarek   dominuje   jednak   układ
prostokątny.

Rozwiązania jednostek kinematycznych o bardziej złożonych układach zespołów ruchu

regionalnego lub zwielokrotnionych łańcuchach kinematycznych są z reguły odpowiednią
kombinacją wymienionych struktur.

Oprócz struktury jednostki kinematyczne maszyn manipulacyjnych charakteryzują się

różnymi właściwościami mechanizmu. Zalicza się do nich:

sposób budowy mechanizmu jednostki kinematycznej,
właściwości napędowe zespołów ruchu, w tym przede wszystkim rodzaj energii

wykorzystywanej w napędach oraz charakterystyka napędu.

W grupie robotów stacjonarnych o strukturach równoległych głównym wyróżnikiem

podziału jest liczba ramion (gałęzi) tworzących zamknięty łańcuch kinematyczny. Spotykane
są rozwiązania z trzema ramionami - tripody i sześcioma ramionami – hexapody.

Ze względu na rozwiązania kinematyczne roboty mobilne można podzielić na: roboty

przemieszczające się po stałym torze jezdnym i autonomiczne roboty mobilne (czasem zwane
też r obocarami), które mogą poruszać się samodzielnie po hali fabrycznej.

Na rys. 3 pokazano układy kinematyczne robotów poruszających się po sztywnym torze

jezdnym. Istotą budowy robotów mobilnych przemieszczających się po sztywnym torze
jezdnym jest połączenie zrobotyzowanej jednostki transportowej (robot transportowy) z
odpowiednim robotem stacjonarnym.

Układy kinematyczne autonomicznych robotów mobilnych (rys. 4) dzieli się obecnie na

trzy grupy: mogące poruszać się wyłącznie do przodu, jeżdżące w przód i w tył oraz jeżdżące
wzdłuż i w poprzek w każdą ze stron.

Rys. 3. Układy kinematyczne robotów poruszających się po sztywnym torze jezdnym: a)

robot zainstalowany na wózku szynowym, b) mobilny robot bramowy

Rys. 4. Układy kinematyczne autonomicznych robotów mobilnych: a) robot poruszający się

wyłącznie do przodu, b) robot jeżdżący w przód i w tył, c) robot jeżdżący wzdłuż i w poprzek

w każdą ze stron

2.3. Klasyfikacja robotów ze względu na sterowanie

Ze względu na sterowanie roboty klasyfikuje się na klasy, przy czym wyróżnikiem

klasy jest rodzaj i możliwości sterowania pracą robota. Wyróżnia się cztery podstawowe klasy
robotów przemysłowych:

1) Robot sekwencyjny. Jest to robot wyposażony w sekwencyjny (wykonujący kolejno
zaprogramowane ruchy i czynności) układ sterowania.

Robot realizujący zadane trajektorie. Jest to robot, który realizuje ustaloną procedurę

sterowanych ruchów według instrukcji programowych specyfikujących żądane pozycje oraz
żądaną prędkość ruchu.
3)

Robot adaptacyjny. Jest to robot mający sensoryczny lub adaptacyjny bądź uczący się

układ sterowania. Przykładami takich układów są układy o możliwościach zmiany własności
dzięki wykorzystaniu informacji sensorycznych lub nagromadzonych doświadczeń,

planowania zadań lub przez nauczanie i trening. Typowym przykładem jest tutaj robot
wyposażony w czujniki wizyjne, przez co jest możliwa korekta ruchów podczas pobierania
elementów, montażu lub spawania łukowego.
4)

Teleoperator. Jest to robot ze sterowaniem zdalnym, realizowanym przez operatora lub

komputer. Jego funkcje są związane z przenoszeniem na odległość funkcji motorycznych i
sensorycznych operatora. Wyłącza się z tej klasy manipulatory o połączeniach
mechanicznych.

Ze względu na sposób programowania i możliwości komunikowania się robota ze

środowiskiem zewnętrznym (otoczeniem) można podzielić roboty na trzy generacje:

I - roboty nauczane,
II roboty uczące się,
III - roboty inteligentne.
Te zagadnienia omówiono poprzednio.

2. 4. Klasyfikacja robotów ze względu na liczbę stopni swobody i rodzaj napędu

Współczesne roboty przemysłowe mają dużą liczbę stopni swobody (z reguły 5-7):

każdemu   z   tych   stopni,   tzn.   każdej   parze   kinematycznej,   odpowiada   oddzielny   zespół
napędowy. Aby zrealizować konkretną operację technologiczną lub manipulacyjną, należy
sterować grupą elementów wykonawczych. W zależności od rodzaju energii potrzebnej do
wprawiania w ruch mechanizmów robota rozróżnia się napędy:  pneumatyczne, hydrauliczne
(precyzyjniej  elektrohydrauliczne) i  elektryczne, których uproszczoną klasyfikację pokazano
na rys. 1.3.5.

Rys. 3.5. Klasyfikacja robotów ze względu na rodzaj stosowanego napędu

Obecnie większość robotów jest wyposażona w napędy elektryczne i tylko w

nielicznych robotach przemysłowych jest stosowany napęd pneumatyczny lub
hydrauliczny. Należy podkreślić, że napędy elektryczne charakteryzują się stosunkowo dużą
całkowitą sprawnością przetwarzania energii i dlatego są obecnie powszechnie stosowane w
robotyce.

Document Outline