PR ETI W 1.2, PG ETI AiR i eletele, Sem4, Podstawy Robotyki, pr-wyklady-

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
PODSTAWY ROBOTYKI
JW 1.2
1
Rozwój robotów
1. Przyczyny rozwoju robotów
Pierwsze roboty pojawiły się w amerykańskim przemyśle samochodowym na początku
lat sześćdziesiątych, a ich początkowy rozwój był powolny. W połowie lat sześćdziesiątych
tylko dwie firmy amerykańskie: Unimation i American Machine and Foundry Co
produkowały kilka typów robotów przemysłowych. Jednakże już w 1975 r. ponad 100
producentów, rozsianych na całym świecie (w tym 50 w Japonii), produkowało ok. 200
różnych typów robotów przemysłowych, od małego robota japońskiego firmy Seiko o
udźwigu 0,02 kg, stosowanego przy produkcji zegarków, do dużego robota Unimate 4000
firmy Unimation o udźwigu 180 kg. U podstaw tego rozwoju leżały trzy grupy czynników.
1.1. Czynniki techniczne

postęp w konstrukcji elementów automatyki (silniki wykonawcze o korzystnym
stosunku mocy do masy, wzmacniacze o małym gabarycie, opanowanie metod masowej
i taniej produkcji minikomputerów i mikrokomputerów) sprawił, że produkcja robotów
stała się technicznie możliwa i ekonomicznie opłacalna;

wzrost zapotrzebowania w różnych gałęziach nowoczesnego przemysłu na
manipulowanie przedmiotów niemożliwych do manipulowania ręcznego ze względu na
zbyt wysoką temperaturę, dużą masę, niedogodne kształty, promieniotwórczość,
obecność szkodliwych wyziewów, pyłów, agresywnych cieczy i por, atmosferę
pozbawioną tlenu;

dążenie do zapewnienia wysokiego i jednolitego standardu wyrobów wynikające ze
zwiększającej się konkurencji na rynkach zbytu.
1.2. Czynniki ekonomiczne

instalowanie kapitałochłonnych maszyn (np. obrabiarek sterowanych numerycznie)
zmusza do maksymalnego ich wykorzystywania przy pracy ciągłej przez całą dobę, co
jest praktycznie możliwe tylko przy obsłudze tych maszyn przez roboty;

wzrost kosztów pracy ludzkiej sprawiający, że robot dla wielu prac staje się operatorem
tańszym niż człowiek;

w gałęziach przemysłu charakteryzujących się częstą zmianą profilu małoseryjnej
produkcji stosowanie wysoko wyspecjalizowanych automatów produkcyjnych jest
nieopłacalne. Roboty dzięki możliwości ich programowania mogą być bardzo szybko
dostosowane do automatyzacji odmiennej produkcji przy wykorzystaniu maszyn
uniwersalnych i stąd stwarzają one możliwość automatyzacji i związanego z nią
wzrostu efektywności ekonomicznej tych gałęzi przemysłu;

roboty znajdują również zastosowanie przy produkcji masowej (wielkoseryjnej)
wypierając z niej szereg kosztownych wąsko wyspecjalizowanych automatów
produkcyjnych, jak np. automaty do malowania, spawania, szlifowania. Jest to
spowodowane tym, że czas moralnego zużywania się produktów wielkoseryjnych staje
się coraz krótszy, co częstokroć czyni nieopłacalnym projektowanie i konstruowanie
automatów nawet do produkcji wielkoseryjnej;

zintegrowane systemy transportu wewnątrzzakładowego lub oddziałowego są z reguły
przystosowane do ściśle określonego profilu produkcji, a zmiana ich sposobu
funkcjonowania jest niezwykle kosztowna. Zastosowanie robotów na stykach pomiędzy
poszczególnymi układami transportowymi umożliwia znaczne zwiększenie ich
2
elastyczności, tzn. szybką i tanią zmianę sposobu ich funkcjonowania przez zmiany
programów robotów.
1.3. Czynniki społeczne

stale malejąca liczba kandydatów do wykonywania prac nudnych, monotonnych i
powtarzających się, nie dających satysfakcji emocjonalnej, lecz niestety niemożliwych
do wyeliminowania w bardzo dużej liczbie procesów przemysłowych. Brak chętnych do
wykonywania tego typu prac jest spowodowany:
a) wzrostem przeciętnego poziomu wykształcenia społeczeństw przemysłowych po II
wojnie światowej;
b) malejącą stopą przyrostu naturalnego obserwowaną w wielu społeczeństwach
najbardziej uprzemysłowionych i powodującą malenie grup ludności w wieku
produkcyjnym.
O tym, jak bardzo istotnym czynnikiem rozwoju robotów jest brak siły roboczej,
świadczy przykład dwóch państw: RFN i Japonii. RFN pomimo dużego potencjału
przemysłowego do niedawna praktycznie robotów nie produkowała, gdyż braki własnej
siły roboczej do prac nisko kwalifikowanych wyrównywała importem tej siły roboczej z
innych krajów. Japonia natomiast, dla której import siły roboczej z różnych powodów
był niemożliwy, stała się w minionym okresie największym producentem i
użytkownikiem robotów na świecie;

powszechne tendencje zwiększenia bezpieczeństwa pracy. Tak np. ustawodawstwo
pracy wielu państw, zabraniające ręcznego manipulowania pod młotami pras, stało się
poważnym bodźcem rozwoju produkcji robotów.
1.4. Aspekty socjologiczne
wprowadzenia robotów do produkcji
Powstanie robotów przemysłowych i dalszy ich rozwój stwarzają pewne nowe
problemy wzajemnej zależności techniki i człowieka. Ogólnie dotyczy to jedności techniki i
człowieka oraz pokonania sprzeczności między ograniczonymi fizycznie i psychicznie
możliwościami człowieka a specyfiką ukła
d
ów technicznych.
Wiadomo, że średnia moc człowieka nie przekracza 20 W, a czas reakcji wynosi 0,1 s.
Człowiek nie może wykonywać pracy w środowisku szkodliwym dla zdrowia, jego
wydajność i dokładność wykonywania czynności z biegiem czasu maleje wskutek fizycznego
i psychicznego zmęczenia.
Z postępującym rozwojem techniki, charakteryzującym się zwiększeniem zadań i
szybkości funkcjonowania układów technicznych, rozszerzaniu się szkodliwych dla zdrowia i
niebezpiecznych warunków, sprzeczności między człowiekiem a techniką nieustannie rosną.
Człowiek staje się coraz mniej odpowiedni do pracy bezpośrednio w systemie produkcyjnym.
Względy te spowodowały, że w krajach zachodnich zaczęły się szerzyć rozmaite idee
antropomorfistyczne, poczynając od koncepcji ,,żelaznego człowieka”, który nie wymaga
kontroli, aż do zastąpienia ludzi robotami.
Koncepcje te są oparte na założeniu, że zalety układów technicznych w stosunku do
człowieka będą się zwiększać aż do osiągnięcia ostatecznej przewagi, przejawiającej się
powstaniem zdolności do twórczości maszynowej. Koncepcje te liczą się z ewentualnością
zastąpienia człowieka antropomorficznymi robotami.
Rozstrzygnięcie kwestii, czy będzie mógł kiedykolwiek powstać robot o określonym
zbiorze psychiczno-fizjologicznych właściwości człowieka, jest z punktu widzenia
socjologicznego bardzo ważne i odpowiedź na to może wpłynąć w sposób istotny na rozwój
robota niższego rzędu. Argumenty za i przeciw rozwojowi robotów opracowane wg
3
Belozercewa są zebrane w tabllicy 1, w której zilustrowano poglądy większości futurologów
filozofów, cybernetyków bądź techników o tym, że człowieka nie można zastąpić
antropomorficznym robotem.
Z powyższego wynika, że z punktu widzenia filozoficznego w przyszłości nieunikniony
będzie konsekwentny podział pracy między człowieka a maszynę. I niezależnie od
problemów technicznych i ekonomicznych nastąpi to wszędzie tam, gdzie nie są
wykorzystywane zdolności twórcze człowieka oraz gdzie wykonywana praca jest monotonna.
Na skutek dotychczasowego ustawienia produkcji pod kątem człowieka i jego
niemożności dostosowania się do systemów produkcji, w których realizuje on zresztą tylko
minimalną liczbę najprostszych operacji, powstały podstawy do rozwiązania istniejących
sprzeczności przez wprowadzenie urządzeń, będących w stanie zastąpić człowieka w procesie
wytwórczym. Dopóki nie powstaną nowe technologie wytwórcze nie nastawione na udział
człowieka, roboty stanowić będą główny środek techniczny automatyzacji procesów
roboczych. Roboty będą mogły być używane zwłaszcza tam, gdzie zastąpienie
człowieka na stanowisku o pracy wielozmianowej umożliwia stałe skracanie czasu roboczego
i zwiększanie bezpieczeństwa pracy.
Tablica 1. Argumenty przemawiające za i przeciw rozwojowi robotów
Argumenty przeciw
Argumenty za
Istota ludzka jest nader skomplikowana i nie
przebrana
Nie ma powodów do ograniczania zakresu
ludzkiego poznania
Nie można świadomie mieszać złożonych
procesów myślenia z mechanicznym
działaniem maszyny
Nie ma zasadniczej różnicy między
człowiekiem a maszyną cybernetyczną
Robot wykonuje jedynie te zadania, które
dają się opisać matematycznie. W przyrodzie
występuje wiele zjawisk dotyczących
ludzkiej psychiki i życia, które nie są opisane
matematycznie
Samoczynne generowanie i testowanie
może zastąpić brak opisu matematycznego
Konstrukcja robota będzie odzwierciedlać
charakterystyczne cechy jego twórcy,
od których nie da się odejść
Roboty mogą rozwijać się i nabywać
nowych właściwości, które nie występowały
w założeniach konstruktora
Uznanie możności wytworzenia żywej istoty
na drodze mechanicznej prowadzi do
idealistycznego pojmowania świata
Roboty są produkowane zgodnie z
fizykalnymi prawami przyrody i nie ma
zasadniczej różnicy w rozwoju człowieka i
maszyny
Zasadnicza różnica między człowiekiem
a robotem tkwi w czynnikach socjalnych,
człowiek nabywa swoich właściwości jedynie
w konkretnym środowisku społecznym
Zakłada się możliwość symulacji sytuacji
socjalnej także w odniesieniu do robota
4
2. Etapy rozwoju robotów przemysłowych - generacje
2.1. Roboty generacji 1
Roboty generacji 1 są aktualnie robotami najbardziej rozpowszechnionymi.
Charakteryzują się one:

całkowitym brakiem sprzężeń zwrotnych od stanu manipulowanego przedmiotu.
Manipulowanie jest więc sterowane w torze otwartym;

koniecznością precyzyjnego zaprogramowania ruchów ramion manipulatora w
odniesieniu do określonego układu współrzędnych;

koniecznością ustabilizowania współrzędnych stanu początkowego manipulowanego
przedmiotu.
Zależnie od sposobu programowania i sterowania prac robotów generacji 1 można
wyróżnić następujące klasy robotów:
1) Roboty klasy 1, programowane metodą krokową, z sekwencyjnym sterowaniem
położenia ramion.
Dla robotów tych określa się kolejność i kierunek ruchów napędów poszczególnych osi
ruchu manipulatora za pomocą
programatora sekwencyjnego
, natomiast zasięg tych ruchów
ogranicza się za pomocą nastawialnych ograniczników mechanicznych lub wyłączników
drogowych. Uruchomienie kolejnego napędu odbywa się dopiero po zakończeniu ruchu
poprzedniego napędu. Sterowanie położeniem ramion manipulatora jest więc w tym
przypadku sterowaniem sekwencyjnym, realizowanym najczęściej za pomocą elektrycznych,
elektronicznych lub pneumatycznych układów przekaźnikowych. Stosowanie ograniczników
mechanicznych umożliwia uzyskiwanie dokładności ustawienia ramion około 0,1 mm.
2) Roboty klasy 2, programowane metodą krokową, z analogową nadążną regulacją
położenia ramion.
Dla robotów tych kolejność i kierunek ruchów napędów poszczególnych osi
manipulatora określa się również za pomocą programatora sekwencyjnego. Jednakże zasięg
ruchu jest zadawany przez nastawę
potencjometru wartości zadanej położenia
danej osi
ruchu; napięcie z tego potencjometru - podobnie jak dla omawianego poprzednio układu
regulacji nadążnej położenia - jest porównywane z napięciem potencjometru pomiarowego,
określającego aktualne położenie ramienia. Różnica tych napięć steruje, poprzez regulator i
wzmacniacz, silnikiem napędzającym ramię. Położenia ramion są więc w tym przypadku
regulowane nadążnie za pomocą analogowych układów regulacji. Dokładność ustawiania
ramion jest nie większa niż uzyskiwana dla robotów klasy 1. Rozwiązanie to umożliwia
jednak kolejne ustawianie tego samego ramienia w różnych miejscach jednego programu na
różnych wartościach zadanych położenia. Uzyskuje się to przez kolejne przełączania różnych
potencjometrów wartości zadanej do układu regulacji nadążnej położenia tego ramienia.
Możliwości takiej nie mają w zasadzie roboty klasy 1.
Do klasy 2 można również zaliczyć roboty, dla których wartości zadane położenia dla
poszczególnych osi ruchu są przechowywane w postaci cyfrowej w pamięci, lecz
wykorzystywane dopiero po przetworzeniu na postać analogową.
3) Roboty klasy 3, programowane metodą uczenia, z cyfrową regulacją nadążną
położenia ramion.
Programowanie metodą uczenia
polega na wprowadzaniu współrzędnych kolejnych
punktów trajektorii ruchu ramion manipulatora, przedstawionych w postaci cyfrowej i
odczytanych z czujników położenia ramion manipulatora, do pamięci układu sterowania
robota. Uczenie odbywa się na wiele różnych sposobów:

ramiona manipulatora
ustawia się ręcznie
w wybranych punktach trajektorii, po czym
współrzędne tych punktów wprowadza się do pamięci. Tego rodzaju uczenie jest
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]