Budowa i zasady działania maszyn i urządzeń stosowanych w robotyce
![](https://robotpol.pl/wp-content/uploads/2024/02/Okladka-na-blog.png)
Robotyka to szeroka dziedzina, obejmująca wiele rodzajów maszyn i urządzeń. Poniżej przedstawiam podstawową budowę i zasadę działania niektórych podstawowych maszyn i urządzeń stosowanych w robotyce.
Robot przemysłowy
Budowa:
- Mechanizm manipulacyjny (ramię robota): Może mieć kilka stopni swobody, dzięki czemu może poruszać się w różnych kierunkach i orientacjach.
- Efektor końcowy (narzędzie robota): Może to być chwytak, narzędzie spawalnicze, narzędzie do malowania itp.
- System sterowania: Składa się ze sterownika, oprogramowania i interfejsów umożliwiających komunikację z innymi urządzeniami.
Zasada działania:
Robot otrzymuje instrukcje od kontrolera, np. aby przesunąć ramię do określonej pozycji. Siłowniki robotyczne (często silniki elektryczne) poruszają ramieniem zgodnie z tymi instrukcjami.
Czujniki
Budowa:
Zależy od typu czujnika. Może to być czujnik wizyjny, czujnik ciśnienia, czujnik odległości, czujnik temperatury itp.
Zasada działania:
Czujniki zbierają informacje o otoczeniu i przesyłają je do układu sterującego robota. Na przykład czujnik odległości może poinformować robota o przeszkodzie w jego odległości.
Systemy wizyjne
Budowa
- Kamera: Do nagrywania obrazów.
- Oprogramowanie: Do analizy obrazu i interpretacji danych.
- Oświetlenie: Stwarza odpowiednie warunki do rejestracji obrazu.
Zasada działania:
Kamera wykonuje zdjęcie, które oprogramowanie analizuje w celu identyfikacji obiektów, ich położenia, kierunku i innych cech.
Aktuatory (mechanizmy wykonawcze)
Budowa:
Mogą to być silniki elektryczne, napędy hydrauliczne lub pneumatyczne.
Zasada działania:
Otrzymują sygnały ze sterownika robota i przekształcają je w ruch fizyczny, umożliwiając robotowi manipulowanie lub poruszanie się.
Systemy sterowania
Budowa:
- Kontroler: To mózg robota, zawierający procesory, pamięć i interfejsy.
- Oprogramowanie: Umożliwia programowanie i sterowanie robotem.
- Interfejsy: Do komunikacji z innymi urządzeniami, czujnikami i aktuatorami.
Zasada działania:
System sterowania odbiera dane z czujników, analizuje je i wysyła niezbędne polecenia do elementów wykonawczych w celu sterowania ruchem i funkcjami robota.
Systemy nawigacji
Budowa:
- Czujniki lokalizacji: np. systemy GPS, SLAM (jednoczesna lokalizacja i mapa), czujniki inercyjne.
- Oprogramowanie: Do interpretacji danych z czujników i obliczania trasy.
Zasada działania:
System nawigacji na bieżąco aktualizuje lokalizację robota w przestrzeni, umożliwiając mu poruszanie się w określonym środowisku bez kolizji.
Stacje dokujące
Budowa:
- Platforma dokująca: Fizyczna przestrzeń, do której robot powraca, aby naładować baterie lub wykonać inne funkcje.
- System komunikacji: Do komunikacji ze stacją dokującą.
Zasada działania:
Gdy robot wymaga ładowania lub innej konserwacji, wraca do stacji dokującej. W przypadku robotów mobilnych stacje te często służą do ładowania akumulatorów.
Systemy zasilania
Budowa:
- Baterie lub akumulatory: Źródła energii dla robotów mobilnych.
- Przewodowe systemy zasilania: Do stacjonarnych robotów przemysłowych.
Zasada działania:
Układy elektryczne dostarczają robotowi energię, która umożliwia mu funkcjonowanie. W zależności od potrzeb robota może to być energia zmagazynowana w bateriach, energia elektryczna dostarczana kablem lub inne źródła energii.
Systemy komunikacji
Budowa:
- Moduły komunikacyjne: np. Wi-Fi, Bluetooth, RFID.
- Oprogramowanie: Do kodowania i dekodowania danych.
Zasada działania:
Systemy komunikacyjne umożliwiają wymianę danych pomiędzy robotem a innymi systemami, urządzeniami lub użytkownikiem.
Mechanizmy bezpieczeństwa
Budowa:
- Czujniki bezpieczeństwa: Takie jak skanery laserowe, maty bezpieczeństwa, bariery świetlne.
- Systemy hamowania awaryjnego: Zatrzymują robota w przypadku wykrycia zagrożenia.
Zasada działania:
Mechanizmy bezpieczeństwa monitorują otoczenie i pracę robota, aby zapewnić bezpieczną pracę w środowisku pracy. W przypadku wykrycia potencjalnego zagrożenia systemy te mogą automatycznie zatrzymać robota lub podjąć inne działania mające na celu zapewnienie bezpieczeństwa.
Interfejs użytkownika
Budowa:
- Panele dotykowe i wyświetlacze: Umożliwiają interakcję użytkownika.
- Klawiatury i kontrolery: Do wprowadzania poleceń i manipulowania robotem.
- Oprogramowanie: Zapewnia intuicyjną obsługę.
Zasada działania:
Interfejs użytkownika pozwala na interakcję z robotem, programowanie jego zadań, monitorowanie stanu i diagnozowanie problemów.
Programowanie offline (OLP)
Budowa:
- Oprogramowanie: Umożliwia symulować i programować ruchy robota w środowisku wirtualnym.
- Interfejsy: Do importowania modeli CAD i eksportowania skryptów programistycznych.
Zasada działania:
OLP umożliwia inżynierom tworzenie, testowanie i optymalizację botów w symulowanym środowisku przed wdrożeniem ich w prawdziwym systemie produkcyjnym.
Moduły adaptacyjne
Budowa:
- Czujniki: Takie jak czujniki siły/momentu obrotowego, które dostarczają informacji o interakcjach z otoczeniem.
- Oprogramowanie adaptacyjne: Pozwala robotowi elastycznie reagować na nieoczekiwane zmienne.
Zasada działania:
Moduły adaptacyjne umożliwiają robotom dostosowywanie się do zmian w środowisku lub różnic w dostarczanych materiałach, co ma kluczowe znaczenie dla elastycznych procesów produkcyjnych.
Systemy kooperacyjne
Budowa:
- Interfejsy komunikacyjne: synchronizacja funkcji kilku robotów. ⦁ Oprogramowanie do współpracy: do koordynowania pracy kilku robotów.
Zasada działania:
W środowiskach, w których współpracuje wiele robotów, systemy współpracujące umożliwiają im współpracę w celu osiągnięcia wspólnego zadania, zapewniając jednocześnie bezpieczeństwo i wydajność.
Roboty mobilne
Budowa:
- Koła lub rolki: Do przemieszczania się.
- Czujniki nawigacyjne: Do pozycjonowania i mapowania otoczenia.
- Systemy naprowadzania: Do planowania tras i omijania przeszkód.
Zasada działania:
Roboty mobilne są przeznaczone do poruszania się w różnych środowiskach, dostosowywania się do przeszkód i wykonywania zadań takich jak transport, inspekcja i badania.
Roboty współpracujące (coboty)
Budowa:
- Czujniki siły/momentu obrotowego: Pozwalają wykryć kolizje z ludźmi lub innymi przeszkodami.
- Miękkie powierzchnie: Zmniejszają ryzyko obrażeń w przypadku kontaktu z ludźmi.
- Interfejsy użytkownika:Umożliwiają łatwe programowanie i interakcja z robotem.
Zasada działania:
Roboty współpracujące są przeznaczone do bezpośredniej pracy z ludźmi, w przeciwieństwie do tradycyjnych robotów przemysłowych, które wymagają izolacji. Coboty mogą bezpiecznie pracować w tym samym pomieszczeniu co ludzie, bez barier fizycznych.
Systemy kontroli wizyjnej
Budowa:
- Aparaty i czujniki obrazu: Robienie i przechwytywanie zdjęć.
- Oprogramowanie do analizy obrazu: Do interpretacji danych wideo i tworzenia poleceń dla robota.
Zasada działania:
Systemy wizyjne pozwalają robotom „widzieć” otoczenie i reagować na nie. Można je wykorzystać do identyfikacji detali, kontroli jakości lub nawigacji.
Chwytaki końcowe
Struktura:
- Chwyty, szczypce, przyssawki: Narzędzia umożliwiające manipulowanie przedmiotami.
- Narzędzia specjalne: Takie jak spawarki, narzędzia do klejenia itp.
Zasada działania:
Chwytaki końcowe to części robota, które wchodzą w interakcję z otoczeniem. Wybór odpowiedniego chwytaka końcowego zależy od zadania, które będzie wykonywał robot.
Systemy śledzenia i monitorowania
Budowa:
- Kamery i czujniki: Pozwalają śledzić lokalizację robota lub elementy, z którymi wchodzi w interakcję.
- Oprogramowanie monitorujące: Do analizy i prezentacji danych z monitoringu.
Zasada działania:
Systemy te monitorują i kontrolują pracę robota, pozwalając użytkownikowi ocenić wydajność, zidentyfikować problemy i zapewnić bezpieczeństwo.
Systemy uczenia maszynowego
Budowa:
- Algorytmy uczenia się: Takie jak sieci neuronowe, maszyny wektorów nośnych, drzewa decyzyjne itp.
- Bazy danych: Zawierają dane szkoleniowe i testowe.
Zasada działania:
Roboty wykorzystujące uczenie maszynowe mogą „uczyć się” na danych, dostosowywać się do nowych sytuacji i optymalizować swoje działania. Potrafią rozpoznawać wzorce, przewidywać zachowania i podejmować decyzje w bardziej złożonych środowiskach niż tradycyjnie programowane roboty.
Sensory taktylne
Budowa:
- Czujniki dotyku: Rejestrują kontakt z powierzchniami.
- Czujniki ciśnienia: Mierzą siłę nacisku.
Zasada działania:
Czujniki dotyku pozwalają robotom wykrywać dotyk i reagować na różne naciski, co ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach wymagających precyzyjnej manipulacji.
Baterie i systemy zasilania
Budowa:
- Baterie litowo-jonowe: Popularne źródło zasilania robotów mobilnych.
- Stacje dokujące: Do automatycznego ładowania robotów.
Zasada działania:
Roboty muszą mieć dostęp do źródła zasilania. W przypadku robotów stacjonarnych mogą to być połączenia przewodowe, natomiast roboty mobilne zazwyczaj korzystają z akumulatorów i wymagają systemów monitorowania i ładowania tych akumulatorów.
Kinematyka i dynamika robotów
Budowa:
- Silniki: Do poruszania przegubami robota.
- Enkodery: Do kontroli położenia przegubów.
Zasada działania:
Kinematyka zajmuje się ruchem robota bez uwzględnienia sił działających na ten ruch, natomiast dynamika zajmuje się siłami i momentami działającymi na robota. Te dwa obszary odgrywają kluczową rolę w programowaniu i sterowaniu precyzyjnymi ruchami robota.
Bezpieczeństwo robotów
Budowa:
- Skanowanie laserowe: W celu wykrycia znajdujących się w pobliżu osób i innych przeszkód.
- Bariery i osłony: W celu fizycznego odizolowania robota.
Zasada działania:
Bezpieczeństwo robotyczne obejmuje technologie i procedury zapewniające bezpieczne działanie robotów w środowisku człowieka. Celem jest uniknięcie kolizji i możliwych obrażeń.
Integracja z innymi systemami
Budowa:
- Interfejsy komunikacyjne: Takie jak Ethernet, Wi-Fi, protokoły przemysłowe.
- Oprogramowanie integracyjne: Umożliwia komunikację robota z innymi systemami takimi jak PLC czy MES.
Zasada działania:
W zintegrowanych środowiskach produkcyjnych roboty muszą komunikować się z innymi maszynami i systemami sterowania. Pozwala koordynować działania, monitorować proces i optymalizować produkcję.
Systemy autonomiczne
Budowa:
- Algorytmy nawigacji: Dla samodzielnego poruszania się.
- Czujniki: Takie jak lidary, radary, ultradźwiękowe do wykrywania otoczenia.
Zasada działania:
Roboty autonomiczne mogą działać niezależnie, bez ciągłej interwencji człowieka. Wykorzystują złożone algorytmy i czujniki, aby reagować na zmieniające się warunki i wykonywać zadania w dynamicznych środowiskach.
Różne technologie i komponenty, z których składają się te roboty przemysłowe i ich systemy, świadczą o tym, jak złożone i wyrafinowane stały się dzisiejsze maszyny. Zrozumienie tych aspektów jest kluczem do skutecznego projektowania, wdrażania i użytkowania robotów w różnych środowiskach przemysłowych.
Parametry techniczne maszyn i urządzeń stosowanych w robotyce
Parametry techniczne maszyn i urządzeń stosowanych w robotyce są kluczowe dla inżynierów i techników, aby w pełni zrozumieć możliwości i ograniczenia danego urządzenia. Poniżej przedstawiono kilka typowych parametrów technicznych, które są często uwzględniane w robotyce różnych maszyn i urządzeń:
Robot przemysłowy
- Zasięg robota: Określa największy obszar roboczy robota.
- Ładowność: Maksymalna waga, jaką robot może unieść.
- Dokładność pozycjonowania: Określa, jak dokładnie robot może dotrzeć do określonej lokalizacji.
- Liczba osi: Można niezależnie sterować kilkoma różnymi ruchami robota.
- Maksymalna prędkość: Maksymalna prędkość, z jaką robot może się poruszać.
- Rodzaj instalacji: Można zainstalować na podłodze, suficie, ścianie itp.
Czujniki
- Zakres pomiarowy: Jaka jest największa i najmniejsza odległość pomiarowa.
- Dokładność: Jaki jest błąd pomiaru czujnika.
- Czułość: Najmniejsza zmiana, jaką może wykryć czujnik.
- Czas reakcji: Jak szybko czujnik reaguje na zmiany.
Kamery i systemy wizyjne
- Rozdzielczość: Liczba pikseli obrazu.
- Liczba klatek na sekundę: Ile klatek na sekundę może przechwycić kamera.
- Zakres dynamiki: Zakres jasności, jaki kamera może jednocześnie rejestrować.
- Ogniskowa: Określa pole widzenia kamery.
Silniki i napędy
- Moc: Maksymalna moc, jaką może wytworzyć silnik.
- Prędkość obrotowa: Maksymalna liczba obrotów na minutę (RPM).
- Moment obrotowy: Siła obrotowa wytwarzana przez silnik.
Układy zasilania i akumulatory
- Pojemność: W przypadku akumulatorów, jak długo mogą dostarczać energię przed ładowaniem.
- Napięcie: Napięcie wytwarzane przez akumulator lub źródło zasilania.
- Maksymalny prąd wyjściowy: Maksymalna ilość prądu, jaką może zapewnić system.
Sterowniki i kontrolery
- Liczba wejść/wyjść: Ile różnych sygnałów sterownik może przetwarzać jednocześnie.
- Szybkość przetwarzania: Jak szybko administrator może przetwarzać dane.
- Pamięć: Ile danych może przechowywać sterownik.
Uchwyty i narzędzia końcowe
- Typ: Pneumatyczny, mechaniczny, elektromagnetyczny itp.
- Siła chwytu: Maksymalna siła, jaką może wywrzeć uchwyt.
- Zasięg chwytu: Maksymalny i minimalny rozmiar obiektu do przechwycenia.
Parametry te stanowią jedynie ogólne informacje podawane przez producentów. Ważne jest, aby dokładnie zrozumieć te parametry w kontekście konkretnego zastosowania robotyki, aby zapewnić odpowiednie dopasowanie urządzenia i optymalną wydajność.
Klasyfikacja maszyn i urządzeń stosowanych w robotyce
Maszyny i urządzenia stosowane w robotyce można klasyfikować na wiele sposobów. Poniżej przedstawiono kilka metod klasyfikacji.
Według zakresu ruchu i liczby osi
- Roboty jednoosiowe: Mogą poruszać się tylko w jednej osi.
- Roboty dwuosiowe: Mają dwa stopnie swobody.
- Roboty wieloosiowe: Trzy lub więcej osi ruchu.
Według konstrukcji
- Roboty kartezjańskie: Poruszają się wzdłuż osi X, Y i Z.
- Roboty cylindryczne: Poruszają się wzdłuż osi i wokół jednej osi.
- Roboty sferyczne (kuliste): Posiadają ruch obrotowy wokół dwóch osi i ruch wzdłuż jednej osi.
- Roboty SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm): Wykorzystywane głównie w montażu, charakteryzują się dwoma poziomymi ruchami obrotowymi i jednym pionowym ruchem liniowym.
- Roboty antropomorficzne: Zaprojektowane tak, aby ich budowa i zakres ruchu były podobne do budowy i cech ludzkiego ramienia.
Według zastosowania
- Roboty przemysłowe: Stosowane w produkcji, montażu, spawaniu itp.
- Roboty medyczne: Do zastosowań chirurgicznych, rehabilitacyjnych lub diagnostycznych.
- Roboty edukacyjne: Wykorzystywane do nauki programowania i robotyki.
- Roboty eksploracyjne: Używane do eksploracji kosmosu, głębin oceanów lub trudno dostępnych obszarów.
- Roboty domowe: Odkurzacze, kosiarki, pomoce domowe itp.
Według interakcji z otoczeniem
- Roboty autonomiczne: Mogą działać samodzielnie, bez interwencji człowieka.
- Roboty półautonomiczne (zdalnie sterowane): Wymagają pewnej interakcji z użytkownikiem, ale mogą również wykonywać pewne zadania samodzielnie.
- Roboty zdalnie sterowane: Całkowicie zależne od instrukcji użytkownika.
Według rodzaju napędu
- Roboty elektryczne: Do napędu wykorzystują silniki elektryczne.
- Roboty hydrauliczne: Używaj płynów hydraulicznych jako źródła zasilania.
- Roboty pneumatyczne: Wykorzystują sprężone powietrze jako źródło zasilania.
Według rozmiaru i skali
- Mikroboty: Bardzo małe roboty.
- Makroboty: Duże roboty, m.in. roboty przemysłowe.
Według rodzaju zastosowanych czujników
- Roboty wizualne: Wyposażone w kamery i systemy obrazowania.
- Roboty dotykowe: Wykorzystują czujniki dotykowe.
- Roboty sonarowe: Wykorzystanie dźwięku do określenia odległości.
Klasyfikacja ta przedstawia jedynie główne kategorie maszyn i urządzeń zrobotyzowanych. W praktyce istnieje wiele bardziej szczegółowych podziałów, które zależą od konkretnych potrzeb i zastosowań.
Elementy funkcjonalne maszyn i urządzeń stosowane w robotyce
Maszyny i urządzenia stosowane w robotyce składają się z różnych elementów funkcjonalnych, które razem umożliwiają realizację określonych zadań. Poniżej podano główne elementy funkcjonalne typowego robota przemysłowego oraz ich opis:
Mechanizm napędowy (aktuator)
- Silniki elektryczne: Najczęściej stosowane w robotach; mogą to być silniki krokowe, serwo lub bezszczotkowe silniki prądu stałego.
- Siłowniki hydrauliczne: Stosowane w robotach o wysokim udźwigu, które oferują dużą moc w małych rozmiarach.
- Siłowniki pneumatyczne: Lżejsze i tańsze od siłowników hydraulicznych, ale mniej dokładne.
Mechanizm przekładniowy
- Przekładnie, przekładnie ślimakowe, paski napędowe itp., które zmieniają siłę i prędkość generowaną przez siłownik.
Układ sterowania
- Kontrolery: Urządzenia interpretujące sygnały wejściowe i instrukcje programowania w celu sterowania robotem.
- Oprogramowanie: Specjalne aplikacje umożliwiające programowanie, sterowanie i monitorowanie robota.
Czujniki
- Czujniki wizyjne: Kamery i systemy wizyjne do wykrywania obiektów i nawigacji.
- Czujniki dotyku i siły: Wykrywają kontakt robota z otoczeniem i mierzą siłę.
- Enkodery: Do pomiaru kąta obrotu i prędkości silników.
- Czujniki odległości: Na przykład echosondy lub lasery do pomiaru odległości.
Siłowniki końcowe (gripery)
- Chwytaki mechaniczne do obiektów ruchomych.
- Narzędzia takie jak spawarki, noże i szczotki.
- Specjalne efektory, np. ssawki wykorzystujące próżnię do podnoszenia .
System zasilania
- Baterie, akumulatory lub bezpośrednie źródła zasilania.
System komunikacji
- Interfejsy umożliwiające robotowi komunikację z innymi urządzeniami, maszynami czy komputerami. Mogą być przewodowe (Ethernet, USB) lub bezprzewodowe (Wi-Fi, Bluetooth).
Lokalizacja i konstrukcja robota
- Ramię robota, platforma, przeguby i inne części konstrukcyjne, które zapewniają robotowi stabilność i mobilność.
Systemy bezpieczeństwa
- Ogrodzenia, skanery bezpieczeństwa, czujniki kolizji i inne urządzenia zapewniające bezpieczną pracę robota w obecności ludzi.
Każdy z tych elementów ma swoją charakterystykę i można go dostosować do konkretnego zastosowania robotycznego. W zależności od zadania, do jakiego robot jest przeznaczony, niektóre z tych elementów mogą być bardziej złożone, inne natomiast można uprościć lub całkowicie pominąć.