Budowa i zasady działania maszyn i urządzeń stosowanych w robotyce

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.