ROBOTIKA - Robolab
Transcription
ROBOTIKA - Robolab
ROBOTIKA TADEJ BAJD, MATJAŽ MIHELJ in Jadran Lenarˇciˇc, Aleš Stanovnik, Marko Munih Univerza v Ljubljani, Založba FE in FRI Ljubljana, 2008 CIP - Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana 007.52(075.8) ROBOTIKA / Tadej Bajd ... [et al.]. - 1. izd. - Ljubljana : Fakulteta za elektrotehniko, 2008 ISBN 978-961-243-092-4 1. Bajd, Tadej 240724736 Slika na naslovnici: J. Lenarˇciˇc, Brez naslova, akril na platnu, 60 x 120 cm, 2003 c 2008 Založba FE in FRI. All rights reserved. Copyright Razmnoževanje (tudi fotokopiranje) dela v celoti ali po delih brez predhodnega dovoljenja Založbe FE in FRI prepovedano. Recenzenta: prof. dr. Miloš Žefran, University of Illinois, Chicago, ZDA prof. dr. Tatjana Zrimec, The University of New South Wells, Sydney, Avstralija Založila: Fakulteta za elektrotehniko, 2008 Urednik: mag. Peter Šega Natisnil: Kopija Mavriˇc, Ljubljana Naklada: 250 izvodov 1. izdaja Predgovor Beseda "robot"ni bila prviˇc uporabljena v znanstveni ali strokovni literaˇ turi. Prviˇc jo najdemo v znanstveno fantastiˇcni drami Karla Capka z naslovom "R.U.R. Rossum’s Universal Robots". Slovenci smo prevod te drame dobili že leta 1921. V drami najprej ljudje ustvarijo cˇ loveku podobne, to je humanoidne robote, potem pa ti roboti v zadnjem dejanju uniˇcijo ljudi. Poglejmo zanimiv odstavek, v katerem ravnatelj tovarne R.U.R. odgovarja na vprašanje, kakšen delavec je najboljši: "Tisti, ki je najcenejši. Tisti, ki ima najmanj potreb. Mladi Rossum je iznašel delavca z najmanjšimi potrebami. Moral ga je poenostaviti. Zavrgel je vse, kar ne služi naravnost delu. Na ta naˇcin je pravzaprav zavrgel cˇ loveka, a naredil Robota. Draga gospodiˇcna Gloryjeva, Roboti niso ljudje. Mehaniˇcno so popolnejši od nas, imajo silno inteligenco razuma, a nimajo duše. Da, gospodiˇcna Gloryjeva, inženirski izdelek je tehniˇcno bolj dovršen kot izdelek prirode." ˇ Karel Capek je dobro napovedal razvoj moderne robotike. Danes japonske univerze, inštituti in veliki proizvajalci kar tekmujejo, kdo bo izdelal spretnejšega in inteligentnejšega humanoidnega robota. Po drugi strani pa industrijski robotski manipulatorji opravljajo številne proizvodne naloge natanˇcneje, zanesljiveje in ceneje kot cˇ lovek. Takšnih robotov sreˇcujemo vse veˇc tudi v slovenski industriji. Prav obravnavi industrijskih robotskih manipulatorjev je namenjen priˇcujoˇci uˇcbenik. Uvodno poglavje pojasni osnovne lastnosti robotov. V nadaljevanju sta lega in premik v prostoru opisana s homogenimi transformacijskimi matrikami. V tretjem poglavju je obravnavan geometrijski model robotskega mehanizma, ki ˇ ga potrebujemo pri programiranju robotske naloge. Cetrto poglavje predstavlja kratek uvod v kinematiko in dinamiko robotov. Sledita poglavji, ki opisujeta robotske senzorje in naˇcrtovanje robotskih trajektorij. V nadaljevanju so opisane robotske regulacijske sheme, ki bodisi omogoˇcajo želeno trajektorijo vrha robota v prostoru ali izvajanje želene sile na okolje. Uporabnik robota vi ROBOTIKA mora enako pozornost posvetiti vsem elementom robotske celice in ne le robotskemu manipulatorju. V naslednjih poglavjih so opisana robotska prijemala, podajalne naprave in osnove robotskega vida. Robotski manipulatorji so se pokazali kot neobhodno potrebni pri industrijskih aplikacijah, kot so varjenje, razpršilno barvanje, brušenje, paletizacija. Vse veˇc pa jih uporabljamo tudi v montaži. Deseto poglavje obravnava pristope k naˇcrtovanju montažne robotske celice. Uporabnik industrijskih robotov mora biti tudi dobro seznanjen s standardi in varnostjo pri delu z roboti. Sodobna robotika pa ne predstavlja le robotskih manipulatorjev, ampak obsega vse inteligentno gibanje. Tako sreˇcujemo mobilne in hodeˇce robote, robote v vodi in robote v zraku. Nekaj informacij o tovrstnih robotih prinaša robotski slovarˇcek, katerega prvenstveni namen je uvajati slovensko robotsko terminologijo. Tadej Bajd in Matjaž Mihelj Kazalo 1. UVOD 1 1 2 Prostostne stopnje Robotski manipulator 2 3 3 4 Robotske roke Uvajanje robotov v industrijske procese 5 7 2. HOMOGENE TRANSFORMACIJSKE MATRIKE 9 1 2 Translacijska transformacija Rotacijske transformacije 9 10 3 4 Lega in premik Geometrijski model robota 13 16 3. GEOMETRIJSKI OPIS ROBOTSKEGA MEHANIZMA 23 1 2 Vektorski parametri kinematiˇcnega para Vektorski parametri mehanizma 24 26 3 Primer 30 4. DVOSEGMENTNI ROBOTSKI MANIPULATOR 1 Kinematika 2 3 Delovni prostor Dinamika 5. ROBOTSKI SENZORJI 1 Princip zaznavanja 2 Senzorji gibanja 2.1 Postavitev senzorjev 2.2 Potenciometer 35 35 41 45 53 53 54 54 55 vi ROBOTIKA 3 2.3 Optiˇcni kodirnik 2.3.1 Absolutni kodirniki 2.3.2 Inkrementalni kodirnik 2.4 Tahometer Senzor sile 56 57 58 60 60 ˇ 6. NACRTOVANJE TRAJEKTORIJE 1 Interpolacija trajektorije med dvema toˇckama 2 Interpolacija z uporabo vmesnih toˇck 63 63 66 7. VODENJE ROBOTOV 1 Vodenje robota v notranjih koordinatah 1.1 PD regulacija položaja 1.2 PD regulacija položaja s kompenzacijo gravitacije 1.3 Vodenje robota na osnovi inverzne dinamike 2 Vodenje robota v zunanjih koordinatah 2.1 Regulacija na osnovi transponirane Jacobijeve matrike 2.2 Regulacija na osnovi inverzne Jacobijeve matrike 2.3 PD regulacija položaja s kompenzacijo gravitacije v zunanjih koordinatah 2.4 Vodenje robotov na osnovi inverzne dinamike v zunanjih koordinatah 3 Regulacija sile dotika 3.1 Linearizacija sistema z vpeljavo inverzne dinamike 3.2 Vodenje sile 73 75 75 77 77 81 81 83 84 86 88 88 8. PRIJEMALA IN PODAJALNE NAPRAVE 1 Robotska prijemala 2 Podajalne naprave 93 93 97 83 9. ROBOTSKI VID 107 10. ROBOTSKO SESTAVLJANJE 117 11. STANDARDI IN VARNOST V ROBOTIKI 129 ˇ 12. ROBOTSKI SLOVARCEK 145 13. NADALJNJE BRANJE 167 UVOD Zaˇcnimo z definicijo industrijskega robotskega manipulatorja, kot jo podaja standard ISO 8373. Industrijski robotski manipulator je povratnozanˇcno voden, reprogramibilen in veˇcnamenski sistem. Lahko je fiksen ali mobilen. Programibilen je v treh ali veˇc prostostnih stopnjah. Uporabljamo ga v procesih industrijske avtomatizacije. Standard na prvo mesto postavlja lastnost, da je robot povratnozanˇcno voden. Robotske mehanizme poganjajo elektriˇcni ali hidravliˇcni motorji. Ti motorji niso nikoli odprtozanˇcno krmiljeni. Sestavni del robotskega manipulatorja so vselej tudi senzorji. Tu gre predvsem za notranje senzorje, ki so namešˇceni v sklepih robota. To so pretvorniki kota ali razdalje in hitrosti. Pomembni pa so tudi zunanji senzorji, med njimi predvsem senzor sile dotika. Glede na želeno gibanje vrha robota, ki ga doloˇci uporabnik, ter glede na informacijo senzorjev, robotski regulacijski sistem vodi manipulator bodisi po položaju ali po sili. Sodobna industrijska proizvodnja ne pozna velikih zalog materiala in skladišˇc izdelkov. Pravimo, da se proizvodni proces odvija ravno ob pravem cˇ asu. Kot posledica se na isti proizvodni liniji v istem dnevu pojavijo razliˇcni tipi posameznega izdelka. Problem rešujemo z uporabo industrijskih robotskih manipulatorjev. Lastnost reprogramibilnosti omogoˇca, da zgolj s pritiskom na gumb preidemo s proizvodnje enega tipa izdelka na drugega. Robotski manipulator je nadalje veˇcnamenski mehanizem. Robot poskuša biti nekakšen posnetek cˇ lovekove roke. Enako kot uporabljamo roko za natanˇcna in groba opravila, skušamo isti robotski manipulator uporabiti za razliˇcne naloge. To je še posebej pomembno, ker je ekonomska življenjska doba robota razmeroma dolga (12 do 16 let). Tako se lahko zgodi, da smo nek industrijski robot kupili za varjenje, kasneje pa nam bo služil za prenašanje in urejanje izdelkov v palete. 2 ROBOTIKA Robotski manipulatorji so obiˇcajno fiksni. Navadno so pritrjeni na podstavek na tleh, vˇcasih pa visijo s stropa. Tako ne jemljejo dragocenega prostora na proizvodni liniji. Redkeje so robotski manipulatorji priˇcvršˇceni na mobilno osnovo. Na ta naˇcin se njihova fleksibilnost znatno poveˇca. Zadnja lastnost robotskega manipulatorja pravi, da je robot programibilen v treh ali veˇc prostostnih stopnjah. Ker je to pravzaprav najbolj znaˇcilna lastnost robotskih mehanizmov, je prav, da si pojem prostostne stopnje pobliže ogledamo. 1. Prostostne stopnje Pojem prostostne stopnje želimo najprej spoznati na primeru infinitezimalno majhnega masnega delca. Tedaj je število prostostnih stopenj definirano kot število neodvisnih koordinat (brez cˇ asa), ki so potrebne za popoln opis položaja masnega delca. Delec, ki se giblje po premici (neskonˇcno majhna kroglica na žici), je sistem z eno stopnjo prostosti. Nihalo s togo pritrditvijo, ki se giblje v ravnini, je prav tako sistem z eno prostostno stopnjo (Slika 1.1). V prvem primeru opišemo položaj delca z razdaljo, v drugem pa s kotom zasuka. Slika 1.1. Primera sistemov z eno prostostno stopnjo: masni delec na žici (levo) in togo nihalo v ravnini (desno) Masni delec, ki se giblje v ravnini, ima dve prostostni stopnji (Slika 1.2). Položaj delca lahko opišemo s karteziˇcnima koordinatama x in y. Dvojno nihalo s togima segmentoma, ki niha v ravnini, je tudi sistem z dvema prostostnima stopnjama. Položaj masnega delca opišemo z dvema kotoma. Masni delec, ki se giblje v prostoru, ima tri prostostne stopnje. Obiˇcajno za njegov opis uporabimo pravokotne koordinate x, y in z. Primer preprostega mehanskega sistema s tremi prostostnimi stopnjami je tudi dvojno nihalo, kjer je prvi segment raztegljiva vzmet, medtem ko drugi segment predstavlja toga palica. Tudi sedaj nihalo niha v ravnini. V nadaljevanju si oglejmo prostostne stopnje togega telesa (Slika 1.3). Najpreprostejše togo telo je sestavljeno iz treh masnih delcev. Spoznali smo že, da ima en sam masni delec tri stopnje prostosti. Opišemo jih s pravokotnimi koordinatami x, y in z. Gibanje vzdolž premice imenujemo translacija. Sedaj 3 Uvod Slika 1.2. Primeri sistemov z dvema (levo) ali s tremi prostostnimi stopnjami (desno) pa dodajmo prvemu masnemu delcu še en masni delec, ki naj ima konstantno razdaljo do prvega. Drugi masni delec potuje lahko le po površini krogle okrog prvega. Njegov položaj lahko opišemo z dvema krožnicama, ki nas spomnita na vzporednike in poldnevnike pri globusu. Gibanje po krožnici imenujemo rotacija. Tretji masni delec dodamo tako, da ima enako konstantno razdaljo do prvih dveh. Na ta naˇcin tretji masni delec opisuje krožnico, nekakšen ekvator, okrog prvih dveh delcev. Spoznali smo, da ima togo telo 6 prostostnih stopenj: tri translacije in tri rotacije. Prve tri doloˇcajo pozicijo telesa, druge tri pa njegovo orientacijo. Pozicijo in orientacijo bomo z eno besedo poimenovali lega togega telesa. 3 translacije 2 rotaciji 1 rotacija ORIENTACIJA POZICIJA LEGA Slika 1.3. 2. Prostostne stopnje togega telesa Robotski manipulator Robotski manipulator sestavljajo roka, zapestje in prijemalo (Slika 1.4). Naloga robotskega manipulatorja je, da postavi predmet, ki ga drži s prijemalom, v poljubno lego. Tako mora tudi robotski manipulator imeti 6 prostostnih sto-