PATRONI ROBOTYKI:
 

TEORIA ROBOTYKI

1.3. Pojęcia podstawowe i definicje

Dziedzina nauki i techniki zajmująca się problemami mechaniki, sterowania, projektowania, pomiarów, zastosowań oraz eksploatacji manipulatorów i robotów to robotyka. Obszar zastosowania manipulatorów i robotów jest bardzo duży, obecnie jedynie względy ekonomiczne mogą ograniczać proces robotyzacji przemysłu. W dzisiejszych czasach roboty znalazły zastosowanie w transporcie, medycynie, produkcji przemysłowej, budownictwie oraz środowiskach nieprzyjaznych człowiekowi, czyli w kosmosie i głębinach morskich.

Jednym z fundamentalnych pojęć związanych z robotyką jest pojęcie maszyny cybernetycznej, jest to sztuczne urządzenie przeznaczone do częściowego lub całkowitego zastępowania funkcji energetycznych, fizjologicznych i intelektualnych człowieka. Poprzez funkcje energetyczne należy rozumieć zastępowanie pracy fizycznej, funkcje fizjologiczne jako zastępowanie organów, natomiast funkcje intelektualne jako właściwości adaptacyjne maszyny w zmieniającym się środowisku. Przy takiej definicji maszyny cybernetycznej, mechanizm cybernetyczny można zdefiniować jako część maszyny cybernetycznej zastępującej czynności ruchowe człowieka.

Manipulator jest to mechanizm cybernetyczny przeznaczony do realizacji niektórych funkcji kończyny górnej człowieka. Należy wyróżnić dwa rodzaje funkcji manipulatora: manipulacyjną, wykonywaną przez chwytak i wysięgnikową, realizowaną przez ramię manipulatora. Pedipulator jest to kończyna dolna, "noga" maszyny kroczącej. Pedipulator może być układem jedno lub kilkuczłonowym.

Robot jest to urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji niektórych funkcji manipulacyjnych i lokomocyjnych człowieka, posiadające określony poziom energetyczny, informacyjny i inteligencji maszynowej. Inteligencja maszynowa to autonomia działania w pewnym środowisku. Schemat blokowy robota został przedstawiony na rys.1.1.


Rysunek 1. 1 Schemat blokowy robota. A - układ zasilania, B- układ sterowania,

C - układ ruchu.


Istnieje w robotyce pewna klasa robotów, którą tworzą maszyny kroczące, czyli urządzenia techniczne przeznaczone do realizacji wybranych funkcji podobnych do funkcji lokomocyjnych zwierząt i owadów posiadających kończyny (kręgowce) lub odnóża (owady). Mobilne roboty jest to klasa robotów, które mogą się przemieszczać za pomocą kół lub gąsienic. Otoczenie robota jest to przestrzeń, w której robot jest usytuowany. Dla robotów stacjonarnych otoczenie ogranicza się do przestrzeni roboczej.

Układ sterowania - zgodnie z teorią sterowania zadaniem układu sterowania jest określenie sygnału sterowania, który należy podjąć wobec systemu (robota), aby otrzymać z góry założone właściwości. Sygnał sterujący zostaje wygenerowany na podstawie posiadanych danych o tym systemie. W przypadku robota zadaniem układu sterowania jest takie generowanie sygnałów sterujących aby układ osiągnął żądaną pozycję i orientację w przestrzeni uwzględniając omijanie przeszkód, kontrolując przy tym podstawowe parametry kinematyczne i dynamiczne. Ogólny schemat układu sterowania przedstawiono na rys.1.2.


Rysunek 1. 2 Schemat ogólny układu sterowania.


Bardzo częstym określeniem związanym z robotami jest pojęcie generacji robotów, można wyróżnić III generacje robotów. Opisując poszczególne generacje robotów należy skupić się na ich układzie sterowania oraz sensoryce. 

Roboty I generacji to roboty zaprogramowane najczęściej na określoną sekwencję czynności (istnieje możliwość ich przeprogramowania). W robotach tej generacji stosowano przeważnie otwarty układ sterowania tak więc robot charakteryzuje się całkowitym brakiem sprzężenia zwrotnego od stanu manipulowanego przedmiotu. Schemat struktury robota I generacji pokazano na rys.1.3.


Rysunek 1. 3 Schemat otwartego układu sterowania dla

I generacji robotów.

 

Roboty II generacji to roboty wyposażone w zamknięty układ sterowania oraz czujniki pozwalające dokonywać pomiarów podstawowych parametrów stanu robota i otoczenia. Roboty II generacji powinny spełniają warunek takiej taktyki przy kontakcie ze światem zewnętrznym, aby uzyskać optymalny efekt działania. Robot powinien rozpoznawać żądany obiekt nawet wówczas, gdy przemieszcza się z innymi obiektami, następnie rozpoznać ten obiekt bez względu na jego położenie i kształt geometryczny. Takie roboty realizują te wymagania za pomocą zespołu czujników. Schemat blokowy robota II generacji przedstawiono na rys.1.4.   


Rysunek 1. 4 Schemat zamkniętego układu sterowania.


Roboty III generacji to roboty typu ręka-oko (rozpoznawanie obiektów). Schemat układu sterowania dla robotów III generacji  jest taki sam jak dla robotów II generacji. W tym układzie informacja o otoczeniu jest odbierana za pomocą sensorów wizyjnych oraz przekazywana do komputera, co umożliwia, przy znajomości modeli kinematyki i dynamiki manipulatora oraz kryterium sterowania, realizację zaplanowanego zadania, np. zadanej trajektorii.

Podsumowując zagadnienia związane z generacjami robotów należy podkreślić, iż możliwe jest już dzisiaj skonstruowanie robota który potrafi samodzielnie analizować obrazy przestrzeni roboczej otrzymane z sensorów wizyjnych oraz wykonywać postawione przed nim zadania. Podstawowe problemy wynikające z praktycznego wykorzystania tego typu robotów są związane z szybkością obliczeń,  wielkością pamięci operacyjnej komputera oraz z kosztami robota. Możliwość realizacji postawionego zadania, np. procesu montażu pewnego  produktu z elementów składowych, jest uwarunkowana zdolnością rozróżniania tych elementów (rozpoznawaniem) oraz określeniem ich położenia i orientacji w przestrzeni roboczej. Informacje te są dostarczane do robota za pośrednictwem układu wizyjnego. Możliwości robota określają między innymi: geometria ramienia, układy napędowe, rodzaj napędów, parametry kinematyczne i dynamiczne, dokładność, powtarzalność, niezawodność oraz bezpieczeństwo.