Uvod u Robotiku
1
1. UVOD
Robotika je primijenjena tehni
č
ka znanost koja predstavlja spoj strojeva i ra
č
unarske tehnike. Ona
uklju
č
uje razli
č
ite oblasti kao što su projektiranje strojeva, teoriju upravljanja i regulacije,
mikroelektroniku, kompjutersko programiranje, umjetnu inteligenciju, ljudski faktor i teoriju
proizvodnje. Drugim rije
č
ima, robotika je interdisciplinarna znanost koja pokriva podru
č
ja mehanike,
elektronike, informatike i automatike. Ona se bavi prvenstveno prou
č
avanjem strojeva koji mogu
zamijeniti
č
ovjeka u izvršavanju zadataka, kao što su razni oblici fizi
č
kih aktivnosti i donošenje odluka
(odlu
č
ivanje). Razvoj robotike je iniciran željom
č
ovjeka da pokuša prona
ć
i zamjenu za sebe koja bi
imala mogu
ć
nost oponašanja njegovih svojstava u razli
č
itim primjenama, uzimaju
ć
i u obzir i
me
đ
udjelovanje sa okolinom koja ga okružuje.
U 20. stolje
ć
u prvi se put susre
ć
e naziv robot: uveo ga je
č
eški književnik K.
Č
apek 1920. g. u svojoj
drami “RUR” (Rossumovi univerzalni roboti). Suvremeni roboti nastali su 1950-ih u SAD, a potje
č
u
od pronalaska teleoptera, s jedne strane, te numeri
č
ki upravljanih alatnih strojeva, s druge strane. U
Americi je Robot Institute of America, 1980 godine, definirao robota kao višefunkcionalnog
manipulatora s mogu
ć
noš
ć
u reprogramiranja, projektiranog da prenosi materijale, dijelove, alatke i
posebne naprave kroz razli
č
ite programirane pokrete u svrhu obavljanje razli
č
itih zadataka. Ova
definicija je prili
č
no restriktivna, budu
ć
i da isklju
č
uje mobilne robote, koji u današnje vrijeme
doživljavaju ekspanziju. Op
ć
enitija definicija bi bila da je robot stroj koji posjeduje inteligentnu vezu
izme
đ
u percepcije i akcije. S tim u vezi se može definirati pojam inteligentnog robota kao stroja
sposobnog da prikuplja informacije iz okolnog svijeta i koriste
ć
i znanje o okolini uspijeva da se
uspješno kre
ć
e u njoj.
Ra
č
unarsko upravljanje robotskim sistemima teži primjeni ekspertnih sistema i umjetne inteligencije u
podru
č
ju automatskog upravljanja.
Temeljni trend u robotici odnosi se na mobilnost, inteligenciju i autonomnost u nestrukturiranoj
sredini. Ovaj trend je mogu
ć
e posti
ć
i upotrebom malih, jeftinih i visokoperformantnih ra
č
unala.
Termin
robot
, u ovom kontekstu, predstavlja sistem koji je sposoban ostvariti predvi
đ
ena ponašanja u
realnom svijetu. Robotski sistemi dobivaju signale (ulaze) iz okolne sredine preko senzora i djeluje na
istu pomo
ć
u pogona (aktuatora). Veza izme
đ
u opažanja (eng. sensing) i djelovanja (eng. actuation)
može biti ostvarena jednostavnom obradom signala ili pak može uklju
č
ivati složene postupke
odlu
č
ivanja, interpretaciju cilja i druge aspekte rasu
đ
ivanja. Ve
ć
ina autonomnih sistema pokazuju
samo neke oblike mobilnosti: na zemlji, pod vodom, u zraku ili u svemiru. Mobilnost se može na
č
initi
upotrebom kota
č
a, nogu, peraja, rotora ili drugih pogona. Težište je na mogu
ć
nosti gibanja i
samodovoljnosti, a ne na
č
injenici da li je sistem biološka imitacija. Naravno, biološki modeli
robotskih sistema su od važnog interesa budu
ć
i da su živi sistemi prototipovi autonomnih ponašanja.
Predmet izu
č
avanja u nastavku je tzv.
Industrijska robotika
koja obuhva
ć
a projektiranje robota,
upravljanje i primjenu u industriji.
1.1 INDUSTRIJSKI ROBOT
Naj
č
eš
ć
e se pod pojmom robota podrazumijeva industrijski robot koji se još naziva robotski
manipulator (eng. robotic manipulator) ili robotska ruka (eng. robotic arm). Postoji mnogo razli
č
itih
definicija robota, ovisno o mjestu i na
č
inu primjene. Industrijski robot posjeduje zadovoljavaju
ć
u
fleksibilnost i okretljivost.
Glavni dijelovi industrijskog robota su:
1.
Mehani
č
ka struktura ili manipulator sastoji se od niza krutih segmenata (eng. links) povezanih
pomo
ć
u zglobova (eng. joints). Ponašanje manipulator je odre
đ
eno rukom (eng. arm) koja
osigurava pokretljivost, ru
č
nim zglobom (eng. wrist) koji daje okretljivost i vrhom manipulatora
(eng. end effector) koji izvršava operacije koje se zahtijevaju od robota.
Mr.sc. Jasmin Velagi
ć
, dipl.inž.el. Laboratorija za Robotiku i autonomne sisteme
Uvod u Robotiku
2
2.
Aktuatori (pogoni)
postavljaju manipulator u odre
đ
eno kretanje pomicanjem zglobova. Naj
č
e
ć
e se
upotrebljavaju elektri
č
ni i hidrauli
č
ki motori, a ponekad i pneumatski .
3.
Senzori detektiraju status manipulatora (proprioceptivni senzori) i , ako je potrebno, status okoline
(heteroceptivni senzori).
4.
Sistem upravljanja (ra
č
unar) omogu
ć
uje upravljanje i nadzor kretanja manipulatora.
Zbog svojstava
rukovanje materijalima
,
manipulacije
i
mjerenja
, industrijski roboti imaju uspješnu
primjenu u proizvodnim procesima.
U proizvodnim procesima svaki objekat (materijal) može se prenijeti sa jednog mjesta tvornice na
drugi radi
č
uvanja, daljnje obrade, montiranja i pakiranja. Tijekom prijenosa, fizi
č
ke karakteristike
objekta nisu podvrgnute nikakvim promjenama. Sposobnost robota da podigne objekat, prenese ga u
prostoru po unaprijed definiranoj stazi i otpusti,
č
ini ga idealnim kandidatom za rukovanje
materijalima. Tipi
č
ne primjene ove vrste su:
•
paletiranje (smještanje objekata na palete po odre
đ
enom poretku)
•
utovar i istovar skladišta
•
struganje
•
sortiranje dijelova
•
pakiranje
Proces proizvodnje sastoji se od transformiranja objekta iz sirovine u kona
č
ni proizvod, tijekom kojeg
se mijenjaju fizi
č
ka svojstva kao rezultat strojne obrade ili se mijenja izgled objekta uslijed montaže.
Sposobnost robota da manipulira objektima (koji se obra
đ
uju) i alatima
č
ini ga prikladnim u procesima
proizvodnje. Tipi
č
ne primjene su :
•
lu
č
no i ta
č
kasto zavarivanje
•
bojenje sprejom
•
struganje i bušenje
•
ljepljenje i pe
č
enje
•
lasersko rezanje i rezanje vodenim mlazom
•
brušenje i ljuštenje
•
montiranje mehani
č
kih i elektri
č
nih grupa
•
montiranje elektri
č
nih plo
č
a
•
zašarafljivanje
•
stavljanje žice.
Osim rukovanja i manipuliranja materijalima u procesu proizvodnje je neophodno vršiti mjerenja za
testiranje kvalitete proizvoda. Sposobnost robota da istražuje trodimenzionalni prostor i dostupnost
mjerenja statusa manipulatora omogu
ć
uju upotrebu robota kao mjernog ure
đ
aja. Primjene ove vrste su:
•
nadziranje (inspekcija) objekta
•
pronalaženje kontura
•
detekcija proizvodnih nedostataka.
Mr.sc. Jasmin Velagi
ć
, dipl.inž.el. Laboratorija za Robotiku i autonomne sisteme
Uvod u Robotiku
4
Pravokutna konfiguracija robota ima tri translacijska zgloba
č
ije su osi me
đ
usobno okomite (Sl. 1.2). S
obzirom na jednostavnu geometriju, svaki stupanj pokretljivosti je korespodentan sa stupnjem slobode
u Cartesianovom prostoru, budu
ć
i da se radi o pravolinijskom kretanju. Struktura pokazuje dobru
mehani
č
ku
č
vrsto
ć
u. Ta
č
nost pozicioniranja ru
č
nog zgloba je konstantna u cijelom radnom prostoru.
Nasuprot visokoj ta
č
nosti, struktura ima slabu pokretljivost, jer su svi zglobovi translacijski. Radni
prostor ovog robota je prizma. Cartesianov manipulator pristupa objektu “sa strane”. Ukoliko želimo
objektu pristupiti “odozgo”, ovaj manipulator treba realizira u obliku stalka (engl. Gantry
manipulator). Cartesianova struktura omogu
ć
uje postizanje radnog prostora velikih dimenzija i
manipuliranje glomaznim objektima. Zbog toga se naj
č
eš
ć
e primjenjuje u rukovanju materijalima i
montaži. Motori za pokretanje zglobova manipulatora su elektri
č
ni, a rijetko pneumatski.
Ako se prvi zglob kod pravokutne strukture zamijeni rotacijskim zglobom, tada se dobiva robot
cilindri
č
ne konfiguracije, prikazan na Sl. 1.3. Radni prostor takvog robota je volumen izme
đ
u dva
vertikalna koncentri
č
na plašta valjka (zbog ograni
č
enog translatornog kretanja). Cilindri
č
ni
manipulator pokazuje dobru mehani
č
ku
č
vrsto
ć
u, ali se ta
č
nost pozicioniranja ru
č
nog zgloba smanjuje
sa pove
ć
anjem horizontalnog hoda. Uglavnom se upotrebljava za prijenos objekata ve
ć
ih dimenzija i
koristi hidrauli
č
ke motore za pogon zglobova više nego elektri
č
ne.
3
1
2
3
2
1
Slika 1.2.
Pravokutna konfiguracija robota.
Slika 1.3.
Cilindri
č
na konfiguracija robota.
Zamjenom drugog zgloba cilindri
č
ne konfiguracije robota rotacijskim zglobom dobiva se robot sferne
konfiguracije (Sl. 1.4). Ako postoji ograni
č
enje translatornog kretanja, tada je radni prostor tog tipa
robota volumen izme
đ
u dvije koncentri
č
ne sfere, a uz ograni
č
enje svih kretanja, radni prostor je dio
volumena izme
đ
u dvije koncentri
č
ne sfere. Mehani
č
ke
č
vrsto
ć
a je manja u odnosu na prethodne
strukture zbog složenije geometrijske i mehani
č
ke konstrukcije. Ta
č
nost pozicioniranja se smanjuje sa
porastom radijalnog hoda. Sferi
č
ni manipulator se uglavnom koristi u strojarskoj industriji. Obi
č
no se
koriste elektri
č
ni motori za pokretanje zglobova manipulatora.
Robot tipa SCARA (eng. Selective Compliance Assembly Robot Arm) tako
đ
er ima dva rotacijska i
jedan translacijski zglob, kao što je prikazano na Sl. 1.5. Kod ovog tipa robota su sve tri osi vertikalne.
SCARA manipulator karekterizira visoka
č
vrsto
ć
a za optere
ć
enja na vertikalnoj osi i popustljivost za
optere
ć
enja u horizontalnoj osi. Zbog toga se SCARA koristi za zadatke montiranja po vertikalnoj osi.
Ta
č
nost pozicioniranja se smanjuje sa porastom udaljenosti izme
đ
u ru
č
nog zgloba i osi prvog zgloba.
Mr.sc. Jasmin Velagi
ć
, dipl.inž.el. Laboratorija za Robotiku i autonomne sisteme
Uvod u Robotiku
5
3
2
3
2
1
1
Slika 1.4.
Sferna konfiguracija robota.
Slika 1.5.
SCARA robot.
Ako su upotrebljena sva tri rotacijska zgloba dobiva se rotacijska struktura manipulatora, koja se još
naziva laktasta, antropomorfna ili zglobna (Sl. 1.6). Osi rotacije drugog i tre
ć
eg zgloba su paralelne i
okomite na os rotacije prvog zgloba. Ako ne postoje ograni
č
enja rotacijskih kretanja, tada je radni
prostor tog robota kugla, a uz ograni
č
enja to je dio kugle složenog oblika
č
iji je presjek sa strane
naj
č
eš
ć
e u obliku polumjeseca. Zbog sli
č
nosti sa
č
ovjekovom rukom, drugi zglob se zove vratni zglob,
a tre
ć
i zglob lakta jer povezuje gornji dio ruke sa podlakticom. Za pogon zglobova antropomorfne
strukture koriste se elektri
č
ni motori. Podru
č
je primjene je jako široko.
2
3
1
Slika 1.6.
Rotacijska konfiguracija robota.
Navedene strukture manipulatora dobivene su na osnovu zahtjeva na poziciju ru
č
nog zgloba i
orijentaciju vrha manipulatora. Ako se želi posti
ć
i odgovaraju
ć
a orijentacija u trodimenzionalnom
prostoru, ru
č
ni zglob mora posjedovati najmanje tri stupnja pokretljivosti ostvarenih rotacijskim
zglobovima. Budu
ć
i da ru
č
ni zglob
č
ini krajnji dio manipulatora on može biti stisnut (zbijen) , što
ć
e
imati za posljedicu kompliciranu mehani
č
ku izvedbu. Bez ulaženja u konstrukcijske detalje, realizacija
ru
č
nog zgloba sa najve
ć
om okretljivoš
ć
u je ona gdje se osi sva tri rotacijska zgloba sijeku u jednoj
ta
č
ki. Ovaj zglob se zove
sferni
. Glavna osobina sfernog zgloba je razdvajanje pozicije i orijentacije
vrha manipulatora; ruka je zadužena za zadatke pozicioniranjagornje to
č
ke presjeka, dok je ru
č
ni zglob
zadužen za odre
đ
ivanje orijentacije vrha manipulatora. Realizacije u kojima zglob nije sferni su
Mr.sc. Jasmin Velagi
ć
, dipl.inž.el. Laboratorija za Robotiku i autonomne sisteme
