Δρ. Φασουλάς Γιάννης. Ροµποτική. «Εισαγωγικές έννοιες»

Transcript

1 Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. Δρ. Φασουλάς Γιάννης Ροµποτική «Εισαγωγικές έννοιες»! Εργαστήριο Συστηµάτων Ελέγχου & Ροµποτικής Σχολή Τεχνολογικών Εφαρµογών Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυµα Κρήτης Ηράκλειο Κρήτης, Ελλάς Γενικά! Τα ροµπότ είναι µηχανές, η χρήση των οποίων αποσκοπεί στην αντικατάσταση του ανθρώπου για την εκτέλεση έργου! Η αντικατάσταση αυτή αφορά τόσο στο φυσικό επίπεδο του µηχανικού έργου όσο και στο επίπεδο λήψης απόφασης! Η ροµποτική είναι ο επιστηµονικός κλάδος του µηχανικού που έχει σαν αντικείµενο την σύλληψη, το σχεδιασµό, την κατασκευή, τον έλεγχο και την λειτουργία των ροµπότ. 2

2 Δηδηθόηεξα κηα ξνκπνηηθή δηάηαμε θέξεη ζηε δνκή ηεο κεραλνινγηθά ζπζηήκαηα (πλεπκαηηθά, ειεθηξηθά ή πδξαπιηθά), ειεθηξνληθά ζπζηήκαηα ηζρύνο, αηζζεηήξηεο δηαηάμεηο, ελεξγνπνηεηέο, κνλάδεο επηθνηλσλίαο θαζώο θαη ελζσκαησκέλα ππνινγηζηηθά ζπζηήκαηα. Ο βξαρίνλαο κπνξεί λα απνηειείηαη από δηάθνξα κέξε πνπ ζπλδένληαη κε αξζξώζεηο νη νπνίεο απνηεινύλ γηα ην ππνινγηζηηθό ζύζηεκα (κέζσ αηζζεηήξησλ δηαηάμεσλ) ζεκεία πιεξνθνξηώλ ηηο θίλεζεο ηνπ. Αλάινγα ησλ βαζκώλ ειεπζεξίαο πνπ ζπλαληάκε ζε έλα ξνκπνηηθό κεραληζκό, ρξεζηκνπνηνύληαη επηπιένλ κεραληθά ειεθηξνληθά θαη ππνινγηζηηθά ζπζηήκαηα., Ιπηάμενη ηηλεσειπιζόμενο μησανή (drone) με ηέζζεπιρ έλικερ Μηα ηπηάκελε ηειερεηξηδόκελν κεραλή (drone) κε Διάφορα είδη Ροµποτικών συστηµάτων ηέζζεξηο έιηθεο απνηειεί έλα πιήξε κεραηξνληθό ζύζηεκα ην νπνίν κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί γηα ηε κεηαθνξά, ηελ παξαθνινύζεζε, ηε θσηνγξάθηζε αληηθεηκέλσλ, ηε ιήςε εηθόλσλ, θ.α.. Η άπνςε κηαο ηπηάκελεο ηειερεηξηδόκελεο κεραλήο κε ηέζζεξηο έιηθεο απεηθνλίδεηαη ζην ρήκα 1.7. Η πηεηηθή ιεηηνπξγία ηεο κεραλήο ζηεξίδεηαη ζην έιεγρν ησλ ζηξνθώλ πνπ θέξνπλ νη ηέζζεξηο έιηθεο. ό a ε Σσήμα 1.3: Ρνκπνηηθόο κεραληζκόο ηύπνπ Puma. Γίηποσο ηλεκηποκίνηηο όσημα Segway : Έλα νινθιεξσκέλν κεραηξνληθό ζύζηεκα κεηαθνξάο αλαβαηώλ απνηειεί ην δίηξνρν ειεθηξνθίλεην όρεκα. Σν όρεκα θέξεη πιήξε κεραληθό εμνπιηζκό σο έλα δίηξνρν ην νπνίν γηα ηελ θίλεζε ηνπ ρξεζηκνπνίεη ειεθηξηθή ελέξγεηα. Η θίλεζε ηνπ ηζνξξνπεί κέζσ ελόο ζπζηήκαηνο δπλακηθήο ζηαζεξνπνίεζεο ην νπνίν ρξεζηκνπνηεί πέληε γπξνζθόπηα θαη έλαλ ελζσκαησκέλν ππνινγηζηή γηα λα θξάηεζε όξζην ηνλ αλαβάηε. Γηα ηελ θίλεζε ηνπ ρξεζηκνπνηεί ειεθηξηθνύο θηλεηήξεο θαη κεραληθό θηβώηην. ηε βάζε ηεο δηάηαμεο είλαη ηνπνζεηεκέλν έλαο ελζσκαησκέλνο ππνινγηζηήο ζηνλ νπνίν θαηαιήγνπλ όιεο νη πιεξνθνξίεο από ηνπο αηζζεηήξεο ηνπ Segway θαζώο θαη νη εληνιέο από ρεηξηζηήξην ηνπ αλαβάηε. Γηα ηε κεηάδνζε ηε ελέξγεηαο ε όπνηα πξνζθέξεηαη από κπαηαξία ιηζίνπ ρξεζηκνπνηνύληαη εηδηθέο δηαηάμεηο ηζρύνο ( ρ. 1.4). 3 Η πραγµατική αλήθεια για τα ροµπότ! Δουλειές που κανένας δεν θέλει να τις κάνει είναι αυτές που η ροµποτική ονοµάζει τα τρία κακά Βρώµικη Δουλειά Ανιαρή Δουλειά Επικίνδυνη Δουλειά! Μια πραγµατική αλήθεια για τα ροµπότ: Το ζωικό Βασίλειο είναι γεµάτο από εκατοµµύρια διαφορετικά πλάσµατα που είναι πολύ πιο ικανά από τα σηµερινά ροµπότ Πόσο έξυπνο χρειάζεται να είναι το ροµπότ; Πρέπει να είναι όσο έξυπνο χρειάζεται για να γίνει αποτελεσµατικά η δουλειά που του έχει ανατεθεί 4 4

3 Γενική περιγραφή του βιοµηχανικού ροµποτικού βραχίονα Φλάντζα αρπάγης Aρθρώσεις σύνδεσµοι! Ένας ροµποτικός βραχίονας αποτελείται από µια σειρά διαδοχικών στερεών σωµάτων που ονοµάζονται σύνδεσµοι (links). Οι σύνδεσµοι συνδέονται ανά δύο µεταξύ τους µέσω αρθρώσεων (joints) σχηµατίζοντας µια ανοιχτή ή κλειστή κινηµατική αλυσίδα. 5 Βαθµοί κινητικότητας και βαθµοί ελευθερίας ροµποτικού βραχίονα 6

4 Βασικές µηχανικές αρθρώσεις ροµποτικών συστηµάτων! Περιστροφική άρθρωση (revolute joint)! Ένας βαθµός ελευθερίας (degree of freedom: d.o.f)! Η µεταβλητή της άρθρωσης συµβολίζεται µε θ ή q! Πρισµατική άρθρωση (prismatic joint)! Ένας βαθµός ελευθερίας! Συµβολίζεται µε d ή q 7 Παραδείγµατα πιο σύνθετων µηχανικών αρθρώσεων 8

5 Μοντελοποίηση των ανθρώπινων αρθρώσεων µε µηχανικές αρθρώσεις 9 Βασικά χαρακτηριστικά του βιοµηχανικού ροµποτικού βραχίονα 2mm 6mm Καλή Επαναληψιµότητα Κακή Ακρίβεια 2mm Καλή Επαναληψιµότητα Καλή Ακρίβεια Κακή Επαναληψιµότητα Κακή Ακρίβεια Απαιτούµενη θέση: Θέσεις που πήρε το ροµπότ: 10

6 π αη Τα τρία βασικά υποσυστήµατα ενός ροµποτικού χειριστή Κεθάιαην Παπαδείγμαηα μησαηπονικών ζςζηημάηυν Βιομησανικά πομπόη: Σα βηνκεραληθά ξνκπόη, ζηαζεξά ή θηλεηά, είλαη ραξαθηεξηζηηθά παξαδείγκαηα κεραηξνληθώλ ζπζηεκάησλ. ε κηα ξνκπνηηθή δηάηαμε κπνξνύκε λα δηαθξίλνπκε όια ηα ραξαθηεξηζηηθά ζηνηρεία ηεο ζύλζεζεο ηνπ δνκηθνύ δηαγξάκκαηνο ηνπ ρήκαηνο 1.3. Δηδηθόηεξα κηα ξνκπνηηθή δηάηαμε θέξεη ζηε δνκή ηεο κεραλνινγηθά ζπζηήκαηα (πλεπκαηηθά, ειεθηξηθά ή πδξαπιηθά), ειεθηξνληθά ζπζηήκαηα ηζρύνο, αηζζεηήξηεο δηαηάμεηο, ελεξγνπνηεηέο, κνλάδεο επηθνηλσλίαο θαζώο θαη ελζσκαησκέλα ππνινγηζηηθά ζπζηήκαηα. Ο βξαρίνλαο κπνξεί λα απνηειείηαη από δηάθνξα κέξε πνπ ζπλδένληαη κε αξζξώζεηο νη νπνίεο απνηεινύλ γηα ην ππνινγηζηηθό ζύζηεκα (κέζσ αηζζεηήξησλ δηαηάμεσλ) ζεκεία πιεξνθνξηώλ ηηο θίλεζεο ηνπ. Αλάινγα ησλ βαζκώλ ειεπζεξίαο πνπ ζπλαληάκε ζε έλα ξνκπνηηθό κεραληζκό, ρξεζηκνπνηνύληαη επηπιένλ κεραληθά ειεθηξνληθά θαη ππνινγηζηηθά ζπζηήκαηα., θό ma κε Σσήμα 1.3: Ρνκπνηηθόο κεραληζκόο ηύπνπ Puma. Γίηποσο ηλεκηποκίνηηο όσημα Segway : Έλα νινθιεξσκέλν κεραηξνληθό ζύζηεκα κεηαθνξάο αλαβαηώλ απνηειεί ην δίηξνρν ειεθηξνθίλεην όρεκα. Σν όρεκα θέξεη πιήξε κεραληθό σο έλα δίηξνρν ην νπνίν γηα ηελ Τ.Ε.Ι.εμνπιηζκό Κρήτης θίλεζε ηνπ ρξεζηκνπνίεη ειεθηξηθή ελέξγεηα. Η θίλεζε ηνπ ηζνξξνπεί κέζσ ελόο ζπζηήκαηνο δπλακηθήο ζηαζεξνπνίεζεο ην νπνίν ρξεζηκνπνηεί πέληε γπξνζθόπηα θαη έλαλ ελζσκαησκέλν ππνινγηζηή γηα λα θξάηεζε όξζην ηνλ αλαβάηε. Γηα ηελ θίλεζε ηνπ ρξεζηκνπνηεί ειεθηξηθνύο θηλεηήξεο θαη κεραληθό θηβώηην. ηε βάζε ηεο δηάηαμεο είλαη ηνπνζεηεκέλν έλαο ελζσκαησκέλνο ππνινγηζηήο ζηνλ νπνίν θαηαιήγνπλ όιεο νη πιεξνθνξίεο από ηνπο αηζζεηήξεο ηνπ Segway θαζώο θαη νη εληνιέο από ρεηξηζηήξην ηνπ αλαβάηε. Γηα ηε κεηάδνζε ηε ελέξγεηαο ε όπνηα πξνζθέξεηαη από κπαηαξία ιηζίνπ ρξεζηκνπνηνύληαη εηδηθέο δηαηάμεηο ηζρύνο ( ρ. 1.4). 11 Αρπάγη (Gripper) ροµποτικού χειριστή Το θέµα αναλύεται άριστα στο βιβλίο : INDUSTRIAL ROBOTICS Technology, Programming and Applications 12 M.P.Groover, McGraw Int. ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ Τµήµα Hill Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. 12

7 Αρπάγη παράλληλης λαβής Αρπάγη µαγνητική Ενδείκνυται για βαριά µεταλλικά αντικείµενα.! Με ηλεκτροµαγνήτη. " Ενδείκνυται για βαριά µεταλλικά αντικείµενα. Με ηλεκτροµαγνήτη. " Μειονέκτηµα : µη ασφαλής έναντι «αποτυχίας» (διακοπής ηλεκτρικής ισχύος εν προκειµένω) non fail safe! Με µόνιµο µαγνήτη. Fail safe. " Μειονέκτηµα : απαιτεί πρόσθετο µηχανισµό (συνήθως µε κύλινδροους) αέρα) για την αποµάκρυνση του τεµαχίου. 14

8 Αρπάγη (µε βεντούζες) κενού Ενδείκνυται για δύσκολα στον χειρισµό αντικείµενα! Χρήση εµπορικών βεντουζών κενού.! Χρήση εµπορικών «γεννητριών» κενού εκτός αν πρόκειται για µεγάλα φορτία οπότε πρέπει να χρησιµοποιηθεί αντλία κενού.! Προσεκτικός σχεδιασµός του συστήµατος ούτως ώστε αποτυχία (απώλεια κενού) από µια βεντούζα να µην επηρεάζει τις άλλες. 15 «Κατ' εικόνα και καθ' οµοίωσιν» αρπάγη: Ροµποτικά χέρια µε ανθρωπόµορφα δάχτυλα Ροµποτικό χέρι Barrett Ροµποτικό χέρι Salisbury Ροµποτικό χέρι Robo-naut Ροµποτικό χέρι DLR II Ροµποτικό χέρι Utah/MIT 16

9 Ροµποτικά χέρια µε ανθρωπόµορφα δάχτυλα v=kmeru5bpdaa&feature=related v=u0y2qvm0ixy&feature=related Ευθεία & Αντίστροφη Κινηµατική ανάλυση 18

10 Κινηµατική Ροµποτικού Βραχίονα Κινηµατική: Η µελέτη της κίνησης του ροµπότ στον χώρο χωρίς να εξετάζουµε τις δυνάµεις που την προκαλούν! Ευθεία κινηµατική ανάλυση Ποια είναι η θέση και ο προσανατολισµός του άκρου (εργαλείου, αρπάγης) όταν ξέρω τις γωνίες των αρθρώσεων του ροµπότ; Βοηθάει στην προσοµοίωση! Αντίστροφη κινηµατική ανάλυση. Ποιες γωνίες αρθρώσεων επιτυγχάνουν µία επιθυµητή θέση του άκρου; Βοηθάει στον έλεγχο Η"δυναμική:!εξετάζει!ταυτόχρονα!την! κίνηση!του!ρομπότ!σε!σχέση!με!τις!ροπές! και!τις!δυνάμεις!που!την!προκαλούν! (!λαμβάνεται!υπ!όψιν!η!μάζα!και!η! 19 αδράνεια!του!ρομπότ)!! 19 Πλαίσια συντεταγµένων για τον προγραµµατισµό του ροµπότ Πλαίσιο κάµερας Πλαίσιο άκρου x Πλαίσιο συνδέσµου z Πλαίσιο βάσης x x y z Πλαίσιο στόχου y x x Πλαίσιο συντεταγµένων Τραπεζιού Δρ. Φασουλάς Γιάννης 20 20

11 Δεξιόστροφα και ορθοµοναδιαία συστήµατα συντεταγµένων z 0.6 z y ! x x y 21 Τροχιά ροµπότ σε βιοµηχανικό περιβάλλον Μετακίνησε τον σωλήνα από το A στο D µέσω των ενδιάµεσων θέσεων B, C D Τελική θέση C B Τροχιά µε µικρή ταχύτητα Εµπόδιο A Αρχική θέση 22 22

12 Παράµετροι τροχιάς του βραχίονα! Τεχνικές εντολές Ταχύτητα Επιτάχυνση! Θέση: Αρχική θέση Τελική θέση Ενδιάµεσες θέσεις! Τρόπος κίνησης (PTP-motion) Κίνηση από σηµείο σε σηµείο Κίνηση σε ευθεία τροχιά Κίνηση σε καµπύλη τροχιά Κίνηση µέσω ενδιάµεσων σηµείων Α! Τρόποι κίνηση της αρπάγης Β MOV C A B C A Α Β MOVS C 23 Κίνηση από σηµείο σε σηµείο (PTP-motion) PTP-κίνηση (point to point) A B t 2 t 2 >t 1 q 2 q 2 B A t 1 q 1 q 1 Επίλυση του αντίστροφου κινηµατικού µόνο για την αρχική (Α) και την τελική θέση(β): Σχεδίαση τροχιάς µε τον ίδιο χρόνο δράσης για κάθε άρθρωση 24 24

13 Σχεδίαση τροχιάς στο χώρο των αρθρώσεων Τροχιά µε πολυώνυµα 3ης Τάξης Τροχιά µε πολυώνυµα 5ης Τάξης Τροχιά µε παραβολική µίξη Προφίλ"θέσης" Προφίλ"ταχύτητας" Προφίλ"επιτάχυνσης" 25 Ροµποτικοί βραχιόνες του εργαστηρίου Ροµποτικός Βραχίονας RV-2A Ροµποτικός Βραχίονας ΑΧ-12 26

14 Πραγµατικός και Εικονικός Βραχίονας SCARA Ο ροµποτικός βραχίονας SCARA E2C351S της Epson: Ο εικονικός βραχίονας SCARA: (αρχείο VRML) 27