STROJARSKA TEHNIČKA ŠKOLA FAUSTA VRANČIĆA

AVENIJA MARINA DRŽIĆA 14

ZAGREB

ROBOTI

Autor: Dragan Karlušić

1

DEFINICIJA ROBOTA (ISO 8373)

Industrijski robot

Robot je automatski upravljani, reprogramirljivi, višenamjenski manipulator

programirljiv u tri ili više osi, koji može biti ili stacionaran ili mobilan za primjene u

industrijskoj automatizaciji.

Mobilni robot

Robot je mobilan i manipulativan fizički sustav koji se autonomno giba kroz

nestrukturirani prostor, ostvarujući pri tom interakciju s ljudskim bićima ili autonomno

obavljajući neki posao umjesto njih.

Osnovni pojmovi

Industrijski robot je uređaj koji se koristi za poslove manipulacije materijala na bazi

upravljanja. Sama konstrukcija robota (prikazana na slici) sadrži slijedeće neophodne

sustave:

- Mehanički sustav

- Energetski sustav

- Mjerni sustav

- Upravljački sustav

Slika: Prikaz industrijskog robota

upravljački sustav

energetski sustav

mjerni sustav (senzori)

ruka

šaka aktuatori

baza

šaka

2

Osnovni dijelovi robota

Najčešće se pod pojmom robota podrazumijeva industrijski robot koji se još naziva

robotski manipulator (engl. robotic manipulator) ili robotska ruka (engl. robotic arm).

Glavni dijelovi industrijskog robota su:

1. Mehanička struktura ili manipulator sastoji se od niza krutih segmenata (engl. links)

povezanih pomoću zglobova (engl. joints). Ponašanje manipulatora određeno je

rukom (engl. arm) koja osigurava pokretljivost, ručnim zglobom (engl. wrist) koji

daje okretljivost vrhu manipulatora (engl. end effector) koji izvršava operacije koje

se zahtijevaju od robota.

2. Aktuatori (pogoni) postavljaju manipulator u određeno kretanje pomicanjem

zglobova. Najčešće se upotrebljavaju električni i hidraulički motori, a ponekad i

pneumatski.

3. Senzori detektiraju status manipulatora i ako je potrebno, status okoline.

4. Sustav upravljanja (računalo) omogućava upravljanje i nadzor kretanja

manipulatora.

Kinematska određenost robota podrazumijeva određenost pozicije i orijentacije

prihvatnice (hvataljka, šaka …) u odnosu na predmete u radnom prostoru robota

(manipulatora), kao i u odnosu na neki nepomični referentni koordinatni sustav. S druge

strane, položaj robota određen je relativnim kutnim zakretanjem odnosno relativnim

translacijskim pomicanjem u zglobovima robota. Da bi robot obavio ispravno radni

zadatak, u svakom trenutku mora biti definirana pozicija i orijentacija hvataljke u prostoru.

Kao što je poznato, položaj tijela u prostoru određen je s šest neovisnih parametara, tri

translacije i tri rotacije, dakle ima šest stupnjeva slobode gibanja: f=6. Broj slobodnih,

mogućih nezavisnih okretanja kod robota naziva se stupanj slobode. Tri translacijska

gibanja za iznos px, py, pz duž osi x, y, z, čime postižemo pozicioniranje točke tijela u

prostoru. Tri rotacijska gibanja oko sve tri osi za kut θx, θy, θz, kako je prikazano na slici.

Slika: Kretanje tijela u prostoru

3

Ako se međusobno povežu dva tijela, od kojih je barem jedno pokretno, tada nastaje

zglob, odnosno kinematski par. Nastajanjem zglobova dolazi do smanjenja mogućnosti

gibanja, pa je i stupanj slobode gibanja manji tj. f<6.

Postoje različite konstrukcije zglobova, a nekoliko jednostavnijih je prikazano na slici.

Slika: Vrste zglobova: a) rotacijski, b) translacijski, c) vijčani, d) valjkasti, e) kuglasti

Na gornjoj slici dan je primjer pasivnih zglobova (nemaju pokretačke pogone) s različitim

stupnjevima slobode gibanja i to:

a) Rotacijski zglob koji ima relativno okretanje samo oko jedne osi i njegov stupanj

slobode gibanja je f=1

b) Translacijski zglob koji ima relativno pomicanje duž jedne osi i kod njega je f=1

c) Vijčani zglob ima vezano okretanje oko osi i translaciju duž iste osi, što znači da je

kretanje zgloba helikoidno (u obliku zavojnice) i da mu je f=1

d) Valjkasti zglob, kod kojeg postoji okretanje i translacijsko pomicanje valjka unutar

šupljeg cilindra, pri čemu je f=2

e) Kuglasti zglob ima tri stupnja slobode gibanja f=3, jer su moguće tri neovisne

relativne rotacije kugle unutar šuplje kugle.

Krutost odnosno otpor prema svakom nepoželjnom kretanju je osnovno mjerilo kvaliteta

jednog zgloba. Iz ovog proizlazi da je dobro da zglobovi imaju što niži stupanj slobode

kretanja.

Osnovnim zglobovima se smatraju rotacijski i translacijski zglob, koji imaju f=1 stupanj

slobode gibanja, dok se svi ostali zglobovi sa f>1 svode na ova dva zgloba.

Rotacijski zglobovi osiguravaju rotacijsko gibanje jednog segmenta (članka) u odnosu na

drugi, a translacijski zglobovi osiguravaju translacijsko (linearno) gibanje jednog članka u

odnosu na prethodni članak (slika).

Rotacijski zglob Translacijski zglob

4

U slijedećoj tablici napravljen je prikaz kinematskih parova, koji su na osnovu načina

vezivanja razvrstani u određene klase. Kinematskim parom nazivaju se dva međusobno

povezana dijela (članka) koja robotu omogućavaju gibanje.

Klasa kinematskog

para

Broj stupnjeva slobode gibanja f

Prikaz kinematskog para

I klasa f=5

3 rotacije + 2 translacije

II klasa f=4

3 rotacije + 1 translacija

III klasa f=3

a) 3 rotacije + 0 translacija b) 1 rotacija + 2 translacije

IV klasa f=2

1 rotacija + 1 translacija

V klasa f=1

a) 0 rotacija + 1 translacija b) 1 rotacija + 0 translacija

Za primjenu u robotici najvažniji su kinematski parovi pete klase. Kinematski par pete

klase dozvoljava samo jednu rotaciju (rotacijski par), odnosno samo jednu translaciju

(translacijski par).

5

PODJELA INDUSTRIJSKIH ROBOTA PREMA NAMJENI

Funkcije robota su primarno izvršavanje određenih realnih operacija. Roboti se

dijele prema različitim kriterijima.

Podjela robota prema vrsti pogona

1. Električni pogon

2. Hidraulički pogon

3. Pneumatski pogon

Električni pogon

Električni pogon prvi put je uvela švedska firma ASEA 1974. godine. Prednosti korištenja

elektromotora je sveopća prisutnost električne energije, jednostavnost priključaka,

upravljanje koje je lagano, točno i pouzdano.

Nedostatak ovih motora je nepovoljan odnos snage i težine. Kod elektromotora obavezna

je primjena određenih magnetskih materijala koji povećavaju težinu motora. Jedan od

problema je pregrijavanje motora koja nastaje uslijed visoke gustoće struje i magnetskog

toka. Elektromotori su opasni za rad u eksplozivnim sredinama.

Danas se u robotima najčešće koriste slijedeći tipovi motora:

a) Istosmjerni motori

b) Izmjenični motori

c) Koračni motori

Hidraulički pogon

Ovi pogoni rade na principu komprimiranog ulja (hidraulička energija). Hidrauličkim

pogonom moguće je ostvariti velike tlakove u cilindru, a time i velike sile u zglobovima.

Hidraulički sustav sastoji se od izvora energije (hidraulički agregat), hidrauličkih vodova,

razvodnika i aktuatora (translacijski ili rotacijski cilindar)

Pneumatski pogon

Pneumatski pogoni za pokretanje koriste potencijalnu energiju stlačenog zraka.

Pneumatika je pogodna za manje snage jer je zrak teško komprimirati pa bi za postizanje

većih snaga bio potreban veliki promjer cilindra.

6

Podjela robota prema geometriji radnog prostora

Na osnovu definicije minimalne konfiguracije robota moguće je odrediti i njegov

manipulacijski prostor. Manipulacijski prostor je skup točaka u koji robot može dovesti

hvataljku (centar hvataljke, vrh alata i dr.), odnosno obaviti radni zadatak, kako je

prikazano na slici.

Slika: Radni i manipulacijski prostor robota

Kombinirajući međusobno rotacijske (R) i translacijske (T) zglobove za prve tri osi

određuju se i slijedeće konfiguracije robota:

1. Pravokutna TTT

2. Cilindrična RTT

3. Sferna RRT

4. Rotacijska RRR

5. SCARA robot RTR, TRR ili RRT (karakteristika im je da su osi sva tri zgloba

vertikalne)

Određeni primjeri manipulativnog prostora za karakteristične strukture robota prikazane su

na slijedećim slikama.

Na slici su prikazana dva tipa robota (konzolni i portalni) s pravokutnim (engl. Cartesian)

konfiguracijom ili TTT, kod kojeg je radni prostor u obliku prizme.

Slika: Prikaz manipulativnog prostora ruke robota TTT

7

Ako se prvi zglob kod pravokutne konfiguracije robota zamijeni rotacijskim zglobom, tada

dobivamo robot cilindrične (engl. cylindrical) konfiguracije (RTT). Radni prostor ovakvog

robota je zbog ograničenosti translacijskog kretanja jednak volumenu između dva

vertikalna koncentrična plašta valjka. Roboti ovakve konfiguracije koriste se za

opsluživanje alatnih strojeva.

Slika: Prikaz različitih manipulativnih prostora

a) robot RTT konfiguracije

b) robot RRT konfiguracije

Ako zamijenimo drugi zglob cilindrične konfiguracije robota s rotacijskim zglobom dobiva

se robot sferne (engl. spherical) konfiguracije (RRT). Radni prostor ovog robota je između

dvije koncentrične sfere. Roboti ovakve strukture imaju veliku fleksibilnost u pristupu

određenoj lokaciji i primjenjuju se za točkasto zavarivanje i opsluživanje.

8

Slika: Prikaz manipulativnog prostora:

a) robota RRR strukture

b) robota tipa SCARA

Na slici iznad prikazan je robot rotacijske konfiguracije (RRR) kod kojeg su sva tri zgloba

rotacijska. Ova konfiguracija još se naziva i revolutna, laktasta, antropomorfna ili zglobna.

Kod ovakvih robota radni prostor je kugla, ako ne postoji rotacijskih ograničenja. Ako

postoje ograničenja u kretanju onda je radni prostor dio kugle složenog oblika čiji presjek

sa strane izgleda u obliku polumjeseca.

Roboti tipa SCARA (engl. Selected Compliance Assembly Robot Arm) ima osobine

zglobnih i cilindričnih robota, oznaka njegove strukture je RRR i sve rotacije mu se nalaze

u horizontalnoj ravnini.

9

Tablica: Tipične minimalne konfiguracije robota na osnovu ISO 9506-3 standarda

Pravokutni robot

10

Podjela prema načinu upravljanja kretanjem

Imajući u vidu složenost zadatka koje robot obavlja (zavarivanje, bojanje, opsluživanje

alatnih strojeva, montaža dijelova u sklopove i sl.), te potrebu brzog prilagođavanja novim

radnim zadacima, osnovni preduvjet uvođenja industrijskih robota u proizvodne sustave

jeste mogućnost reprogramiranja njegovog rada.

Kako bi izvršio potrebnu korisnu radnju robot mora biti programiran. Robotskim

programom se najčešće definira trajektorija koju slijedi hvataljka robota (engl. end-efektor),

kao i robotsko djelovanje kojim se omogućava izvođenje kompletnog radnog ciklusa.

Primjeri ovog djelovanja su otvaranje i zatvaranje hvataljke, donošenje i izvođenje

jednostavnih logičkih odluka, kako i komunikacija s drugim komponentama u fleksibilnoj

proizvodnoj ćeliji. Kod novijih generacija robota sve se više nastoji, umjesto programiranja

kretanja, programirati zadatak kojeg robot treba obaviti.

U ovisnosti o razini sofisticiranosti upravljačke jedinice robotskog sustava, postoje dva tipa

upravljanja i to:

1. Od točke do točke PTP engl. point to point (nije bitna putanja nego točnost

pozicioniranja)

2. Kontinuirano gibanje po putanji CP engl. continuous path (bitna i trajektorija i

točnost pozicioniranja)

Navedeni načini upravljanja pojavljuju se i kod NC alatnih strojeva.

Upravljanje od točke do točke (PTP)

Kod ovakvog upravljanja trajektorija hvataljke definira se nizom točaka koje se nalaze na

trajektoriji. Što je veći broj točaka kojima se definira željena trajektorija, to će kretanje

hvataljke biti točnije. Između definiranih točaka, ovisno o tipu robota, kretanje hvataljke

može biti realizirano na različite načine, kao što je prikazano na slici.

Slika: Način kretanja hvataljke kod PTP programiranja

Upravljanje s kontinuiranom putanjom (CP)

Kod ovakvog načina upravljanja simultanim kretanjima pojedinih osi omogućava se

kretanje hvataljke od jedne do druge točke po utvrđenoj zakonitosti. Metoda na temelju

kojeg upravljački sustav robota pomiče hvataljku od jedne do druge programirane točke

naziva se interpolacijom. U ovisnosti da li međutočke definiraju pravac, dio kruga ili

parabole postoje tri tipa interpolacije i to:

11

a) Linearna

b) Kružna

c) Parabolična

Slika: Tipovi interpolacije, a)linearna, b)kružna, c)parabolična

12

ROBOTI ZA ZAVARIVANJE

Kada se koriste roboti za zavarivanje ?

• Kada se radnja sastoji puno ponovljivih poslova na sličnim dijelovima, a bili bi

pogodni za automatizaciju.

• Kada se zahtjeva više od jedne osi da bi se dva dijela zavarila.

• Kada je pristup dijelovima otežan.

Prednosti robotskog zavarivanja

• Preciznost

• Produktivnost

• Ponovljivost zavara

• Automatizirani pokreti pištolja smanjuju potencijalnu grešku, što znači smanjenje

otpada

• Niži troškovi radne snage

• Smanjuje rizik od ozljede na radu

Koji zavarivački procesi odgovaraju za robotsko zavarivanje ?

Većina proizvodnih zavarivačkih postupaka može se koristiti u automatiziranim

aplikacijama. Najpopularniji postupak elektrolučnog zavarivanja je GMAW (engl. Gas

Metal Arc Welding) zavarivanje punom žicom. Ovaj postupak je pogodan za serijsku

proizvodnju jer ne zahtjeva čišćenje nakon zavarivanja.

Vrste robota

Većina robota opremljena je jednom šakom i jednom rukom s nekoliko artikuliranih

„zglobova” ili osi. Neke od osi se rotiraju tako da njihova rotacija oponaša gibanje ljudskog

ramena, zgloba i lakta. Drugi roboti se kreću linearno slično kranu.

Postoji pet različitih vrsti robotskih ruku koje danas koristimo. Broj stupnjeva slobode

gibanja je broj slobodnih, odnosno mogućih neovisnih kretanja koji su potrebni da bi se

jednoznačno odredio položaj tijela. Prostor koji robot može obraditi (doseći) zove se radni

prostor robota.

13

a) Četvrtaste ruke se nekad zovu „Cartesian” zato što sva gibanja (XYZ) ima

translacijska (linearna). Ova konfiguracija može napraviti najpreciznije pokrete.

(3 SSG)

b) Cilindrična ruka (3 SSG) kreće se linearno po osi Y i Z te rotacija oko osi baze.

c) Sferna ruka je poznata kao polarna koordinatna robotska ruka. Ima jedno linearno i

dva rotacijska gibanja

Pravokutni robot

14

d) SCARA (Selection Complience Assembly Robo Arm) je horizontalna robotska ruka.

Neki od ovih robota imaju rotaciju oko sve tri osi, dok neki imaju jedno linearno

gibanje po jednoj osi.

e) Zadnji robot se najviše koristi, a dizajniran je kao čovjekova ruka. Tri stupnja

linearnog gibanja (XYZ) i tri rotacije (skretanje, poniranje i valjanje). Dakle ovaj

robot ima 6 SSG

Robot za elektrolučno zavarivanje

Tijekom kratkog vremena za koje se koriste industrijski roboti za zavarivanje , robotska

ruka je daleko najpopoluarnija. Za zavarivanje, robotska ruka je zamijenila skoro sve

ostale tipove osim gantri robota. Glavni razlog korištenja robotske ruke je zato što dopušta

manipuliranje pištolja za zavarivanje na isti način kao što bi i čovjek to činio. Kut

zavarivanja i kut puta može se promijeniti kako bi se osigurao kvalitetan zavar na svim

pozicijama. Robotska ruka omogućuje lučno zavarivanje na mjestima koja su

nepristupačna ili teška za dohvat. Uz to, robotska ruka je najkompaktnija i ima najveće

radno okruženje relativno za njenu veličinu. Obično, roboti imaju pet ili šest osi za

slobodno programiranje.

15

Robot za točkasto zavarivanje

Robot može uzastopno pomicati pištolj na svaku lokaciju i položaj naspram zavarivačkog

šava. Također, može ponoviti programirane rasporede zavarivanja. Zavarivač koji zavaruje

ručno nije u mogućnosti zavariti dobro kao robot zbog težine pištolja i monotonosti posla.

Roboti za točkasto zavarivanje trebali bi imati šest ili više osi i trebali bi biti sposobni prići

točkama u radnom polju iz svakog kuta. To omogućuje fleksibilnost pozicije pištolja. Neke

pozicije koje su čudne za zavarivača, kao što je zavarivanje naopačke (odozdo), su laki

zadaci za robot.

16

ROBOTI ZA MONTAŽU, DODAVANJE I MJERENJE

Roboti za montažu i dodavanje su mehanizmi s otvorenim kinematičkim lancem, pogonjeni

pneumatskim, hidrauličkim ili električkim prigonima. Spadaju u grupu tzv. UZMI-STAVI

MANIPULATORA. Kinematička struktura uzmi-stavi manipulatora određena je uglavnom s

dva, tri ili četiri stupnja slobode gibanja. Omogućavaju dovođenje i/ili sastavljanje

predmeta rada s obzirom na proizvoljno zadane pozicije unutar radnoga prostora.

Manipulator hvata ugradbeni element s dostavne ili transportne staze, pomoću mehaničke,

magnetske ili vakuumske hvataljke, ovisno o značajkama predmeta rada (oblikovnim,

fizikalnim i drugim) i montažnoga zadatka, postavlja ga na nosač predmeta rada ili bazni

sklop i otpušta. Ciklus se nadalje ponavlja u zadanom taktu ili u skladu s upravljačkim

signalima.

Ovisno o strukturi manipulatora i zadatku koji izvode, ostvaruju se različita gibanja

predmeta rada.

Slika: Uzmi-stavi manipulatori

• Prvi način primjene je kada ugradbeni elementi imaju uske tolerancije dosjeda,

• drugi kada nemaju uske tolerancije i moguća je greška pozicioniranja,

• treći kada je put sastavljanja relativno kratak.

• Put sastavljanja je putanja, obično pravocrtna i uspravna, koju ugradbeni element

prelazi od trenutka dodira ili interferencije s drugim ugradbenim elementom, sve dok

ne zauzme svoj krajnji položaj u sklopu.

• Postoje i druge izvedbe uzmi-stavi manipulatora, koje se ostvaruju kombinacijom

različitih vrsta kretanja u različitim ravninama.

• Danas se većinom proizvode manipulatori u modularnoj izvedbi, što omogućava

ostvarivanje različitih kinematičkih struktura jednostavnim preslagivanjem pokretnih

elemenata.

17

Slika: Modularna izvedba manipulatora

Kretanjem manipulatora upravlja se pneumatskim i električkim digitalnim logičkim

elementima, a sve više programabilnim logičkim upravljalom (PLC - Programmable Logic

Controller).

Programabilno logičko upravljalo je uređaj kojega u osnovi sačinjavaju:

• središnji mikroprocesor (CPU - Central Processor Unit),

• memorija, i

• ulazno-izlazne jednice.

Po svojoj koncepciji podsjeća na računalo opće namjene. Princip rada temelji se na

prikupljanju ulaznih logičkih signala, njihovoj obradi u skladu s upravljačkim programom, i

definiranju odgovarajućih izlaznih logičkih signala.

18

Za razliku od računala, koje izvodi nizove vrlo složenih operacija, programabilno upravljalo

obrađuje pojedinačno ili kroz kratke procedure (if-then-else, ako-onda-inače), jednostavne

logičke signale: 0/1, yes/no (da/ne) ili true/false (ispravno/neispravno), u vrlo kratkim

vremenskim intervalima, osiguravajući gotovo paralelno upravljanje pojedinim izvršnim

elementima manipulatora tijekom rada. Računalo učitava program u memoriju po

zadavanju odgovarajuće naredbe, dok se u programabilnom upravljalu programi izravno

pohranjuju u memoriji, pa se i na taj način skraćuje vrijeme odziva. Uz logičke i ulazno-

izlazne funkcije, upravljalo može izvoditi i različite operacije brojanja, mjerenja vremena i

jednostavne aritmetičke operacije.

O kinematičkoj strukturi i načinu upravljanja uzmi-stavi manipulatora, ovisi mogućnost

pozicioniranja hvataljke s obzirom na proizvoljnu točku unutar radnoga prostora, a to znači

i mogućnost prilagođavanja promjenama u pogledu razmještaja okolne opreme.

U mnogim zadacima uzmi-stavi manipulatori mogu izvoditi operacije jednako uspješno kao

i industrijski roboti, a da pri tome zauzimaju manje prostora, i imaju pet do deset puta nižu

cijenu. Međutim, zbog jednostavnog upravljačkoga i regulacijskoga sustava, kretanjem

hvataljke između dvije radne pozicije ne može se precizno upravljati, odnosno slijediti

unaprijed zadanu trajektoriju, što priječi složeno umetanje ugradbenih elemenata.

Slika: Roboti za montažu

19

Slika: Roboti za mjerenje i kontrolu

Slika: Roboti za mjerenje i kontrolu