Univerzitet u Kragujevcu

Fakultet inženjerskih nauka Kragujevac

Smer: Industrijski inženjeringPredmet: Mehatronika

Seminarski rad:

Robotska ruka

Profesor: Studenti:

Dr. Milan Matijević Stevan Borisavljević 394/2012

Uroš Golubović 395/2012

Mehatronika

Sadržaj:

1. Robot i robotska ruka 32. Geometrija robota 43. USB robotska ruka 54. USB kontroler 65. Servo motori 76. Vodilice 87. Mehanički profili 98. Upravljanje robotskom rukom preko internet 109. Robotska ruka koja sortira ping-pong loptice 11

2

Mehatronika

Robot i robotska ruka

Robot je elektro-mehanička jedinica koja je u stanju da autonomno, po nekom programu, ili pod kontrolom čoveka izvodi određene zadatke., a predviđen je da prenosi materijale, delove, alatke ili posebne naprave kroz različite programirane pokrete u svsi ispunjavanja različitih zadataka.

Robotska ruka – manipulator je kinematički lanac. Sastoji se od tri kinematička para, slično kao i ljudska ruka. Na donjem kraju robotske ruke pričvrščen je završni mehanizam odnosno alat ili šaka. Šakom robot prihvata različite predmete ili alat kojim obavlja različite zadatke. Osnovni delovi, koji su potrebni za sastavljanje robotske ruke, su slijedeći: USB kontroler, servo motori, vodilice i hvataljka, mehanički profili i vijci za učvršćivanje.

Industrijski roboti su nezaobilazna tematika u području mehatronike a temelje se na poznatim naučnim i tehničkim disciplinama(kinematika, dinamika, informatika i senzorika). Kad su ova područija dosegla određeni nivo razvoja, mogao se pojaviti industrijski robot u današnjem obliku. Teško je postići tačno pozicioniranje robotske ruke, pa se zato uvodi regulacija položaja robota. Regulacija je proces pri kojem se neprekidno prati određena veličina(regulirana veličina) i upoređuje s željenom veličinom pa se zavisno o rezultatu upoređivanja deluje na reguliranu veličinu tako da se približi željenoj veličini. Većina savremenih robota ima regulacione sisteme koji omogućavaju direktno zadavanje spoljnih koordinata. Korisnik samo zadaje zadatak (npr. premesti predmet s jednog mesta na drugo i sl.), a regulacioni sastav sam planira sve pokrete robota. Automatsko planiranje trajektorija robota vrlo je važno za uključivanje robota u fleksibilne tehnološke sastave, što je zahtev savremene industrije.

Trenutno se u svetu koristi nešto više od 850 000 robota, od čega čak dve trećine u Japanu, a ostatak u SAD-u i Europi. Svoju primenu roboti najčešće nalaze pri vrlo opasnim ili dosadnim poslovima. General Motors u proizvodnji automobila koristi oko 16 000 robota, a njihov broj se povećava gotovo svakodnevno. Isto tako roboti su postali nezamenjivi i pri pronalaženju potonulih brodova, uklanjanju radioaktivnog otpada, istraživanju vulkana, te na svim svemirskim misijama.

3

Mehatronika

Geometrija robota

Delovi robota međusobno su povezani. Neki su delovi povezani tako da se ne mogu pomerati. Drugi su delovi povezani tako da se mogu pomicati. Dva međusobno povezana dela nazivamo kinematičkim parom.

Nadlaktica i podlaktica povezane su laktom i čine jedan kinematički par. Nadlaktica je ramenim zglobom povezana s trupom robota. To je drugi kinematički par. Telo robota sastavljeno je od više međusobno povezanih kinematičkih parova koje nazivamo kinematičkim lancem.

Robotska ruka(Slika 1) – manipulator može se okretati oko vertikalne ose, nadlaktica u ramenu i podlaktica u lakatnom zglobu mogu se okretati oko horizontalne ose, dok je šaka učvrščena na podlakticu. Delovi te robotske ruke mogu dakle izvoditi tri neovisna pokreta. Celi mehanizam može se okretati oko vertikalne ose, a nadlaktica i podlaktica svaka za sebe oko horizontalne ose. Za mehanizam – kinematički lanac koji ima mogućnost triju takvih neovisnih pokreta kažemo da ima tri stepena slobode.

Slika 1 – Robotska ruka

4

Mehatronika

USB robotska ruka

Robotika je poseban vid nauke koji je danas vrlo popularana i u stalnom je razvoju. Na tržištu je moguće pronaći razne gotove robotske ruke koje se upravljaju pomoću računra. Najjeftinije često su predviđene kao igračke i veoma su ograničenih mogućnosti, ali postoje i proizvođači koji nude delove od kojih svako može sam sastaviti po želji robotsku ruku ili čak celog robota.

Osnovni delovi(Slika 2), koji su potrebni za sastavljanje robotske ruke su:

USB kontroler Servo motori Vodilice i

hvataljka Mehanički

profili i vijci za

učvršćivanje

5

Mehatronika

Slika 2 - Izgled robotske ruke sa osnovnim delovima

USB kontroler

USB kontroler je uređaj koji zavisno od dizajna može upravljati jednim ili više servo motora. Sam kontroler je spojen na računar preko USB ulaza, pa se na taj način računarom kontroleru daju informacije o pokretanju robotske ruke. Kontroler ima priključen i poseban strujni adapter, koji se brine za napajanje elektronike i servo motora. Kako bi se elektronici koja upravlja servo motorima prenela prava informacija, računar mora imati određenu softversku podršku, pomoću koje programiramo robotsku ruku za željenu akciju.

Moguće je upravljati rukom u realnom vremenu, upravljajući odvojeno svakim servo motorom, ili je moguće (češća upotreba) isprogramirati željene pokrete servo motora u određenom vremenu, pa na taj način ponavljati željenu radnju po potrebi. Pomeranje ruke u realnom vremenu se vrlo često koristi u slučaju kad je na robotskoj ruci umesto hvataljke učvršćena kamera, pa se na taj način može sprovoditi video nadzor određene prostorije. Obzirom da se kamera može pomerati, nije potrebno nekoliko kamera da se pokriju mrtvi uglovi, već operater može po želji upravljati pokretima ruke i samom kamerom. S druge strane, isprogramirani pokreti ruke u određenom vremenu često se koriste kod procesa koji se ponavlja.

6

Mehatronika

Slika 3 - USB kontroler

Servo motori

Servo motori su posebno dizajnirani elektromotori koji imaju razmak osovine za određeni broj stepena. Uglavnom im je raspon od 0° do 180°, ali postoje i sa punim okretom koje se koriste za recimo torziju hvataljke. Zavisno o potrebnom opterećenju ruke, servo motore je potrebno izabrati da mogu izdržati teret ruke i nošenog predmeta. Servo motorima upravlja USB kontroler.

7

Mehatronika

Slika 4 - Servo motor

Vodilice

Vodilice služe po potrebi ako ruku želimo pravolinijski pomerati po podlozi, ili ukoliko želimo napraviti deo ruke u teleskopskom obliku. Hvataljka je krajnji završetak ruke koji imitira ljudsku ruku i služi za stisak predmeta, a zavisno o potrebi može biti sastavljena od dva ili više prstiju.

Hvataljka na sebi ima i određene vodilice, koje služe da se prsti pravilno približavaju jedni drugima i da stisak predmeta bude što realniji. Isto tako robotskoj ruci potrebna je i kružna vodilica za okretanje hvataljke. Servo motori čine samu snagu robotske ruke, i oni pokreću mehaničke profile.

8

Mehatronika

Slika 5 - Hvataljke

Mehanički profili

Mehanički profile su gradivni element svake robotske ruke, a zavisno o kvaliteti i potrebi, mogu biti PVC, aluminijske ili čak čelične izrade. Oni povezuju zglobove ruke i zavisno od opterećenja ruke vlastitom težinom i težinom nošenog predmeta sami biramo materijale odnosno željenu čvrstoću.

9

Mehatronika

Slka 6 - Mehanički profili i vijci za učvršćivanje

Upravljanje robotskom rukom preko interneta

Preko Interneta može se upravljati raznim napravama ili uređajima. U ovom radu je prikazano upravljanje robotskim manipulatorom.BECK DK40@ CHIP

- konfiguriran je i postavljen je kao Web server.

10

Mehatronika

Slika 7 - Upravljanje robotskom rukom preko internet

Web server BECK DK40@ CHIP karakterističan je po tome što možemo upravljati s njegovim ulazima i izlazima preko Interneta. Izlaz iz Web servera spojimo na ulaz logičkog kontrolera PLC-a kojeg isprogramiramo. Aktiviranjem ikone na računaru operatera pokreće se robotski manipulator. Na monitoru operatera može se pratiti stanje svih ulaznih i izlaznih veličina. Kamera koja snima proces, šalje sliku preko Interneta na računar operatera.

Radne karakteristike Web servera Beck DK40@CHIP-a :- 8 digitalnih ulaza/izlaza 15V...36V DC - 2 serijska priključka; - 1 mrežni (network) priključak (interface)

Robotska ruka koja sortira ping-pong loptice

Ova robotska ruka ima samo dva stepena slobode: levo- desno i gore-dole. Hvataljka se aktivira pomoću elektromagneta i podešena je samo za hvatanje i dizanje ping-pong loptica. Usprkos jednostavnoj izradi, pomoću ovog modela se mogu izvoditi vrlo interesantni eksperimenti, i to zato što ima uz hvataljku ima i smešten fotootpornik pomoću kojeg se može

11

Mehatronika

meriti svetlost koja se reflektuje od svake ping-pong loptice, pa tako možemo razlikovati bele od sivih ili crnih ping-pong loptica.

Slika 8 - Robotska ruka koja sortira loptice

Kako se iz slike može videti, na osovinu koja pokreće ruku levo-desno učvršćen je monitor u obliku leptirića koji prekida snop svetlosti koji emituje infracrvena led-dioda, pa se na taj način može vrlo precizno kontrolirati položaj hvataljke u odnosu na svaku pojedinu ping-pong lopticu.

U trenutku kada se otvori mikroprekidač START znamo da je robotska ruka u početnom položaju, pa nakon uključivanja motora treba samo brojati impulse koji dolaze sa fotootpornika brojača, što se čini funkcijom STRIG. Kako ruka polako napreduje, fotootpornik za merenje svetline šalje podatke o jačini svetla koja se reflektuje od svake pojedine loptice preko funkcije STICK. Ako se te vrednosti uporede sa stanjem brojača, lako je odrediti koja je loptica tamnija, a koja svetlija.

Pošto se na modelu koriste isključivo mikroprekidači sa trajno zatvorenim kontaktima, bilo je vrlo lako načiniti i sigurnosne sklopke za zaustavljanje motora u krajnjim položajima sa diodama koje ne kraju puta sprečavaju okretanje motora u neželjenom smjeru. QBASIC program

12

Mehatronika

upravlja ovom robotskom rukom i nakon što proveri svetlinu svake loptice, uzima najtamniju lopticu i stavlja je na prvo mesto u nizu. Da bi stvar ispravno funkcionirala, žljeb sa ping-pong lopticama mora biti malo nagnut, tako da kada hvataljka izvuče koju lopticu, ostale popune njeno mesto.

13