Roboty a manipulátory Úvod RaM Katedra elektrotechniky a automatizace Technická fakulta, ČZU v Praze Miloslav Linda Michal Růžička Vladislav Bezouška

PRaM

Zápočet a zkouška Semestrální projekt Složení zkoušky

Cíle předmětu Seznámení s principy a činností RaM a PRaM Rozbor jednotlivých částí systémů a subsystémů Ukázka aplikací

Obsah přednášky Historie oboru Základní pojmy Vývoj robotiky Klasifikace robotů Příklady nasazení

Historie oboru Roboty jsou relativně novým druhem strojů, průmyslově využitelné prototypy vznikly v období let 1959 – 1961 Zaznamenaly rychlý rozvoj Klasické stroje a zařízení měly za sebou mnohaleté vývojové stupně Robotika je ovšem spojení několika vědních oborů

Základní pojmy Nejednotnost základních pojmů v oboru nutí k promýšlení každé definice Vlivem je spojení mnoha vědních oborů a prolínání jednotlivé terminologie Objektivnější z hlediska terminologií bývají oborové asociace

Základní pojmy Websterův slovník uvádí „robot je antropomorfní mechanická bytost postavená na rutinní manuální práci pro lidské bytosti“ Robotics Institute of America zavádí „robot je reprogramovatelný multifunkční manipulátor navržený pro přenášení materiálu, součástí, nástrojů, nebo specializovaných zařízení, pomocí variabilně programovatelných pohybů k provádění různých úkolů“

Základní pojmy Australian Robotics and Automation Association vyjadřuje charakteristiky oboru Umožňují nějakou formu mobility Může být naprogramován k velmi variabilním úkolům Po naprogramování již pracuje v automatickém režimu

Základní pojmy Slovo "robot" bylo historicky poprvé použito v roce 1920 ve hře R.U.R - Rossum's Universal Robots Karla Čapka V technické praxi má v současné době smysl místo obecného pojmu robot využívat a definovat pojem průmyslový robot, případně servisní robot, které jsou dnes již běžně zaváděny a aplikovány v praxi

Základní pojmy Monografie Noff: Handbook of Industrial Robots uvádí „Průmyslový robot je mechanické zařízení, které může být naprogramováno pro vykonávání různých úkolů manipulačních a pohybových, při automatickém řízení“

Základní pojmy International Organisation for Standardisation (ISO) zavedla definici pro roboty činné ve výrobě „Průmyslový robot (PR) je automaticky řízený, reprogramovatelný, víceúčelový manipulační stroj, stacionární nebo umístěný na pojezdu, určený k použití v průmyslové automatizaci.“

Základní pojmy Historicky dříve než robot byl využíván k manipulačním účelům ve strojírenské výrobě manipulátor Uvádí se také,že jde o zařízení s nulovou úrovní inteligence, zpravidla pracující v cyklickém režimu Pojem manipulátor má i dnes tento význam.

Základní pojmy Manipulátor má ještě jeden význam – používá se ve spojení manipulátor robotu zde se jedná o mechanickou část robotu (nebo také mechanický subsystém robotu, nadále zde označovaný jako akční subsystém).

Základní pojmy Servisní robot (SR) – je aplikace robotických systémů, zaměřená k dosažení vysoké úrovně flexibility, adaptivity, bezpečnosti a účinnosti v humánním (ve smyslu – zabydleném lidmi) prostředí.

Základní pojmy Mechatronika – pojem mechatronika se v tuzemsku začal vyskytovat asi od r. 1985. Tehdy se objevoval téměř výhradně v publikacích japonských autorů

Základní pojmy V souladu s názory japonských odborníků (nejen) můžeme tvrdit, že robotizované systémy jsou typickými produkty mechatroniky a tudíž výuka příslušných specialistů, i když jistě ne v nejobecnějším pojetí, je výukou mechatroniky. V plném slova smyslu mechatronickými systémy jsou i současné výrobní stroje a stále více dalších produktů dříve čistě strojírenského charakteru.

Robotika Teoretická Technická řeší otázky teoretické, koncepční, umělé inteligence, senzoriky, navigace, simulace, virtuálního protypingu, aj. Technická označovaná také jako robototechnika, zahrnující výzkum (aplikační a průmyslový) a vývoj jednotlivých subsystémů robotů, výpočty, metody jejich návrhu, konstrukční problematiku, provoz a údržbu, aj.

Robotika Aplikační označovanou také jako robototechnologie, řeší problematiku nasazování průmyslových robotů ve výrobních systémech a jejich efektivnosti, projektování těchto systémů s PR, periferie robotizovaných pracovišť, programováním robotů, aj.

Robotika Robotizované pracoviště (RP) je účelové seskupení výrobních zařízení a jednoho či více průmyslových robotů (PR), které autonomně, v automatickém pracovním cyklu vykonává manipulační (RMP) a (nebo) technologické (RTP) operace daného výrobního procesu.

Historie a vývoj robotiky Dějiny lidstva jsou i dějinami úsilí člověka o znásobení jeho možností, zlepšení životních podmínek a uspokojení životních potřeb. Cesta k tomuto cíli nejspolehlivěji vede přes rozvoj výroby.

Historie a vývoj robotiky Významný krok v tomto smyslu je spojen se jmény Taylor a Ford. Henry Ford jako první na světě založil pásovou výrobu automobilů (1910) F.W.Taylor, zakladatel tzv."vědeckého řízení" se mimo jiné zabýval normováním práce a rozkladem složitých činností pracovníků ve výrobě až na jednotlivé úkony a pohyby ruky

Historie a vývoj robotiky U vývoje prvního průmyslového robotu byli američtí inženýři Georg Devol a Joseph Engelberger, kteří začali spolupracovat na jeho vývoji od roku 1956 Roboty byly nasazeny jako náhrada pracovníků, obsluhujících stroje pro lití pod tlakem, pro uvolnění žhavých a těžkých odlitků z formy.

Historie a vývoj robotiky Robot měl sférickou kinematickou koncepci v polohovacím ústrojí a jeho konstruktéři velmi rozumně obešli problémy s elektropohony použitím hydropohonů, které vyhověly jak z hlediska potřebných výkonů, tak i požadavků na řízení.

Historie a vývoj robotiky Nárůst počtu robotů 1972 – 1984, do r. 2000

Klasifikace robotů Podle stupňů volnosti Podle kinematické struktury Podle použitých pohonů Podle geometrie pracovního prostoru Podle pohybových charakteristik Podle způsobu řízení Podle způsobu programování

Z hlediska řízení a programování Manipulátor Jednoúčelový manipulátor, manipulátor s pevným programmem Synchronní manipulátor Člověk ve smyčce, man on line, master-slave Robot Manipulátor s pružným programem Adaptivní robot Robot reaguje na změny pracovní scény Kognitivní robot Robot s určitou mírou inteligence

Počet stupňů volnosti Univerzální robot Redundantní robot Se 6 stupni volnosti, jednoznačně vymezující v kartézském souřadném systému Redundantní robot S více než 6 stupni volnosti, větší volnost k odcházení překážek, pohyb ve stísněném prostoru Deficitní robot S méně než 6 stupni volnosti (SCARA), se 3-4 stupni volnosti, montáž v rovině

Kinematická struktura Sériové roboty S otevřeným kinematickým řetězcem Paralelní roboty S uzavřeným kinematickým řetězcem Hybridní roboty Kombinující oba typy řetězců

Kinematická struktura

Druhy pohonů Elektrické Hydraulické Pneumatické V současnosti početně jednoznačně převažují konstrukce PRaM s elektrickými pohony. Pokud jsou požadovány vysoké nosnosti používají se hydraulické pohony a pro vysoké rychlosti pneumatické pohony.

Podle vykonávané činnosti Průmyslové roboty Užívané při činnostech s výrobou různých produktů Servisní roboty Užívané při obslužných činnostech, v průmyslu nebo službách

Servisní robot

Geometrie pracovního prostoru Kartézská Cylindrická Sférická Angulární SCARA

Kompaktnost konstrukce Univerzální Univerzalitu zde chápeme jednak z hlediska možného nasazení pro velkou třídu úloh Modulární Modulárnost je založena na takovém konstrukčním řešení, kdy každá polohovací jednotka je samostatně zcela funkční a pomocí vyráběných sad typorozměrových polohovacích jednotek lze složit strukturu

Modulární konstrukce

Generace robotů Nultá generace První generace manipulátory a roboty zpravidla bez zpětné vazby, kdy veškeré poruchy či změny ve sledované oblasti (signalizované čidly) vedou k nedovolení dalšího kroku a centrálního odpojení systému od přívodu energie První generace roboty s jednoduchou zpětnou vazbou, schopné přepínání několika podprogramů (předem vytvořených člověkem) a práce podle nich

Generace robotů Druhá generace Třetí generace roboty se schopností optimalizace, tj. schopností vybírat z předem zadaných programů ten optimální, podle zadaného kriteria optimalizace Třetí generace roboty jež jsou schopné samostatné tvorby programu, neboť se dokáží učit z nabytých zkušeností. Zde se předem zadává pouze cíl činnosti (úkol), přičemž způsob jeho splnění je ponechán na inteligenci řídicího systému

Generace robotů Čtvrtá generace autonomními roboty se sociálním chováním, které se chovají podobně jako člověk, tedy samostatně si volí i cíl práce.

Generace robotů Adaptivní roboty Počínaje prvou generací se začínaly uplatňovat tzv. adaptivní (adaptabilní) roboty, které se (díky zabudované zpětné vazbě a vyšší inteligenci řídicího systému) dokáží přizpůsobovat změně okolí. To znamená, že reagují na změnu sledovaných parametrů a automatickou změnou svého chování sledované veličiny vracejí do původního stavu. Např. zjištěné stoupání teploty chladicí kapaliny eliminují otevřením cesty do chladiče, zjištěné stoupání tlaku mimo nastavené tolerance vyrovnávají otevřením obtokových či redukčních ventilů apod. Typickými adaptivními roboty jsou např. roboty pro svařování elektrickým obloukem, které dovedou sledovat svařovanou spáru a v případě jejích nepřesností opravují naprogramovaný chod hořáku tak, aby ze spáry nevybočil.

Generace robotů Kognitivní roboty Přívlastek "kognitivní" (z latinského kognitio, tj. poznávání smyslem či rozumem) je používán rovněž v psychologii, a označuje souhrnně řadu typů poznávací činnosti: vnímání, představivost, paměť, chápavost, usuzování a uvažování, nikoliv však citové a volní jednání. Značný kvalitativní skok od běžných robotů ke kognitivním by mohl být charakterizován takto: kognitivnímu robotu je zadán pouze cíl činnosti, plán k jeho dosažení si jeho řídicí systém musí vytvořit sám. Úkolem je tedy vytvoření plánu k dosažení cíle a jeho následná realizace. Tyto dvě fáze mohou probíhat odděleně, ale mohou se též prolínat, kdy plánování je ovlivňováno zkušenostmi, získanými při realizaci.

Generace robotů Konativní roboty Zatím nejvyšší předpokládanou generací jsou roboty konativní (z latinského konatus, tj. snaha, úsilí), charakterizované samostatnou volbou cíle. V současné době konativní roboty nejsou realizovány, je to pouze předpoklad - prognóza dalšího vývoje, který pravděpodobně spěje k vývoji robotů se sociálním chováním, tj. robotů, jejichž chování bude velmi podobné (až identické) s chováním člověka. To znamená, že řídicímu systému nebude nutné zadávat ani cíl jeho práce, neboť konativní robot, zařazený do určitého pracovního procesu si bude sám uvědomovat a plánovat, co je v daném okamžiku potřeba udělat.

Mobilní roboty Mobilita je specifickou vlastností, která se může vyskytovat u všech druhů robotů a je realizována podvozkem nebo jiným systémem, který umožňuje pohyb robotu (např. kráčející roboty apod.). Roboty nulté a první generace se jako mobilní nekonstruují; pouze tam, kde je potřeba krátkého pohybu, se přidává jeden stupeň volnosti v podobě pojíždění po pevně stanovené dráze (např. kolejnice) kolem obsluhovaných strojů nebo nad nimi. Naproti tomu u kognitivních robotů mobilita bývá velmi častá, neboť pohyb robotu po určité ploše je většinou nezbytný.

Závěr Definice a základní dělení Možnosti řešení Generace robotů

Děkuji za pozornost