Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1-1 Τι είναι Ροµπότ; εν υπάρχει συµφωνία ως προς τον ορισµό. Σύµφωνα µε το Αµερικανικό Ινστιτούτο Ροµποτικής (Rbt Institute f America, RIA) είναι ένας επαναπρογραµµατιζόµενος βραχίονας πολλαπλών λειτουργιών, σχεδιασµένος για να µεταφέρει υλικά, εξαρτήµατα, εργαλεία ή άλλες ειδικές διατάξεις µέσω µεταβλητών προγραµµατισµένων κινήσεων για την επίτευξη ενός αριθµού εργασιών. Ο ορισµός αυτός περιγράφει κυρίως τους βιοµηχανικούς βραχίονες, στους οποίους επικεντρώνεται αυτή η σειρά µαθηµάτων. 1-2 Ιστορικό Πρόγονοι 1949 Μηχανή Αριθµητικού Ελέγχου (MIT Serv Lab) Βραχίονες για χειρισµό πυρηνικού υλικού (Master Slave, 1948) 1954 Ο Gerge Devl επινοεί το πρώτο βιοµηχανικό ροµπότ. Ένα βραχίονα γενικής χρήσης µε µνήµη για επανάληψη της κίνησης και έλεγχο αρχικού-τελικού σηµείου. 1961 Unimatin (1956), πρώτο ροµπότ 1978 Puma Σήµερα η ροµποτική είναι ένα διατµηµατικό πεδίο υψηλής πολυπλοκότητας, το οποίο εµπλέκει ειδικότητες: Μηχανολόγου Μηχανικού Ηλεκτρολόγου Μηχανικού Επιστήµης Υπολογιστών Μαθηµατικών Ψυχολογίας... 1
1-3 Γιατί Ροµποτική; Βιοµηχανικά Ροµπότ Προτιµώνται αν επιτελούν τις επιθυµητές εργασίες πιο οικονοµικά. Επαναχρησιµοποιήσιµα (σε αντίθεση µε τον κλασικό αυτοµατισµό) Επαναπρογραµµατιζόµενα Καλά για επαναλαµβανόµενες εργασίες (π.χ. 3 βάρδιες) Χρειάζονται µόνο επίβλεψη Εργασίες στις οποίες υπάρχει όφελος απ τη χρήση ροµπότ: Μεταφορά υλικών Βαφές µε ψεκασµό Ηλεκτροσυγκολλήσεις Συναρµολόγηση (ηλεκτρονικών, αυτοκινήτων) Επιθεώρηση Κινούµενα ροµπότ σε επικίνδυνο περιβάλλον Η εργασία δεν µπορεί να επιτευχθεί από άνθρωπο. Περιοχές µε ραδιενεργά υλικά Αποδόµηση πυρηνικών αντιδραστήρων Αποκοµιδή πυρηνικών αποβλήτων Ατυχήµατα Ωκεανοί Συντήρηση θαλάσσιων κατασκευών Εκµετάλλευση βυθού ιάστηµα Σύλληψη και επισκευή δορυφόρων Συναρµολόγηση κατασκευών Επιθεώρηση αποµακρυσµένων σηµείων 2
Μεταλλεία ασοκοµία Γεωργία (σπορά, θερισµός) Αγροτικές εργασίες (µάζεµα πορτοκαλιών) Υπηρεσίες (νοσηλευτικές, βοηθού σε βενζινάδικο) 1-4 Στοιχεία Ροµποτικού Βραχίονα Μηχανικό Σύστηµα Βραχίονας Επιτρέπει την τοποθέτηση του τελικού στοιχείου δράσης στο χώρο εργασίας Τελικό Στοιχείο ράσης Επιτρέπει την επίτευξη του έργου (αρπάγη, ηλεκτροσυγκόλληση, εργαλείο γενικής χρήσης). Επενεργητές και σύστηµα µετάδοσης (επιτρέπουν την κίνηση του βραχίονα). Επενεργητές: Ηλεκτρικοί (κινητήρες) Υδραυλικοί (έµβολα) Πνευµατικοί Σύστηµα Μετάδοσης: Οδοντωτοί τροχοί Ιµάντες Απ ευθείας οδήγηση (χωρίς παρεµβολή συστήµατος µετάδοσης κίνησης) Αισθητήρες Εσωτερικής Κατάστασης (εκτιµούν την εσωτερική κατάσταση του βραχίονα) Κωδικοποιητές (encders) Ηλεκτροµηχανικοί µετατροπείς θέσης (reslvers) 3
Ποτενσιόµετρα Γυροσκόπια, επιταχυνσιόµετρα Αλληλεπίδρασης Αισθητήρες δύναµης Εξωτερικής Κατάστασης (που βρίσκεται ο βραχίονας σε σχέση µε τον εξωτερικό κόσµο) Οπτικά (CCD, CMOS cameras) Ακουστικά (Εκτιµητές απόστασης) Lasers Ελεγκτής Χρησιµοποιεί τις πληροφορίες των αισθητήρων και νόµους ελέγχου ώστε να ελέγξει την κίνηση του βραχίονα. Σχήµα 1-1. Υδραυλικά ροµπότ. 4
Σχήµα 1-2. Βιοµηχανικά ροµπότ. Σχήµα 1-3. Τηλεροµποτικό σύστηµα SARCOS tύπου master-slave 10 β.ε. 5
1-5 Μερικοί Ορισµοί Κινηµατική: Η µελέτη της κίνησης χωρίς να λαµβάνονται υπόψη οι δυνάµεις που την προκαλούν. Παράδειγµα. Για το ροµπότ του Σχ. 1-1, ορίζεται q = q 1 q, x = x 2 y (0-1) Ευθεία Κινηµατική Αντίστροφη Κινηµατική q x q x q x x q x q x q Σχήµα 1-1. Σχηµατική αναπαράσταση βραχίονα 2 β.ε. Στατική: Η µελέτη των δυνάµεων-ροπών, για βραχίονα σε κατάσταση ισορροπίας (εκτός κίνησης). 6
Σχήµα 1-2. Βραχίονας σε επαφή µε το περιβάλλον. υναµική: Η µελέτη της κίνησης συµπεριλαµβανοµένων των δυνάµεων που την παράγουν. F = ma = m x (0-2) Ευθεία υναµική Αντίστροφη υναµική εδοµένων των F ή τ, ποια τα q, q,q εδοµένων των q, q,q ποια τα αντίστοιχα F ή τ Σχεδιασµός τροχιάς: Προσδιορίζει την κίνηση των αρθρώσεων ως οµαλών συναρτήσεων του χρόνου, έτσι ώστε ο βραχίονας να κινηθεί τελικά µε συντονισµένο και οµαλό τρόπο. q d (t)=; (0-3) Έλεγχος Θέσης: Εύρεση κατάλληλου αλγορίθµου που θα υπολογίζει δυνάµεις ή ροπές οι οποίες θα προκαλέσουν την επιθυµητή κίνηση q d (t). (Έλεγχος κίνησης). Έλεγχος Αλληλεπίδρασης ( ύναµης-εµπέδησης - impedance cntrl): Έλεγχος του ροµπότ όταν αυτό βρίσκεται σε επαφή µε το περιβάλλον (κίνηση υπό περιορισµό). 7