Anton Palko
Príspevok sa zaoberá inovačným prístupom k metódam navrhovania a konštruovania robotickej techniky. Uvádza podstatu princípu a idey modulárnej platformy ako nového smeru v koncepcii vytvárania konštrukcie robotov na báze modulárnej architektúry, súčasne predkladá poznatky z overenia metód na vybraných riešeniach.
The article is concerned with innovation approach to the methods of robotics technology designing and construction. It introduces fundamentals of modular platform principle and conception as the new trend in robots design philosophy based on modular architecture, and together submits experience of methods verification on the chosen solutions.
1. Úvod
Predpokladom úspešného navrhovania a následne efektívnej výroby robotickej techniky (obecne každej techniky) je pružná reakcia na „požiadavky jej používateľa“, t. j. ide o proces zohľadnenia požiadaviek a ich „zanesenia“ do konštrukcie a následne do tzv. aplikačnej spôsobilosti robotov pri udržaní odpovedajúcej technickej úrovni ich riešenia. Tento proces nastoluje v teoretickej a tiež inžinierskej robotike nutnosť inovácií v prístupoch ku konštruovaniu robotov, podmienenú potrebou rozšíriť ich funkčné možnosti nielen rozširovaním rozsahu stavby kinematickej štruktúry ich akčného mechanizmu (súčasne klasické prístupy), ale aj riadením zmeny jej fungovania (správania sa). Ako možný smer riešenia sa ukazuje zmena v prístupu k vytváraniu konštrukcií robotov, ktorá povedie k novej koncepcii modulárnej architektúry robotov.
Inovácia modulárnej architektúry robotov má byť zameraná predovšetkým na to, aby sa báza základných stavebných modulov stala východiskom pre zostavovanie tzv. pružných (flexibilných) konštrukcií, t. j. konštrukcií prispôsobujúcich sa potrebám zmeny technológií, v ktorých je robotická technika použitá. Tento konštrukčný smer dáva robotu novú kvalitu (stavba a rozsah štruktúry, zmena funkcie, zmena vlastností), ktorá vychádza z možnej efektívnej rekonfigurovateľnosti jeho kinematickej a funkčnej štruktúry, čím sa pri využití pôvodných modulov robota vytvárajú ohraničené nové varianty robota s požadovanými novými vlastnosťami a parametrami.
Cieľom príspevku je predstaviť ideu modulárnej platformy ako metódu pre navrhovanie a konštruovanie robotov s prevádzkovými parametrami optimalizovanými na konkrétne podmienky použitia, ako nový prístup k modulárnej architektúre robotov. Idea súčasne vytvára aj predpoklady pre úspešnú predvýrobnú prípravu výroby takejto techniky, ako aj predpoklady pre rozvoj inovačných programov robotickej techniky.
2. Systémový rámec modulárnej konštrukcie
Architektúra modulárnych robotov (MR) vychádza z teórie modulárnej štruktúry technických systémov (obr. 1), t. j. MR sa chápe ako zostava autonómnych modulov (AM; množina modulov pohybových, mechanických, riadiacich atď.), ich vzájomných prepojení a usporiadaní. Zmenou prepojenia a usporiadania (sériové, paralelné, kombinované štruktúry) modulov AM možno na báze pôvodnej zostavy vytvoriť nové funkčné a kinematické (otvorené, uzatvorené, kombinované kinematické reťazce) konfigurácie MR.
Vstupy do modulu AMr+1, ktorý je súčasťou konštrukčnej bázy modulov MR (obr. 2), sú parametre X úlohy, ktorú vykonáva MR, transformované na parametre Xr+1 čiastkovej úlohy modulu AMr+1 v zostave MR a parametre kompatibility Ur;(r+1) transformované ako interakcia modulu AMr+1 na priame prepojenie nadväzujúceho modulu AMrv štruktúre MR. Výstupy z modulu AMr+1 sú: výstupné parametre Y(r+1)u a Y(r+1)p, reprezentujúce plnenie čiastkovej úlohy modulu AMr+1 a transformované do výstupných parametrov Y robota MR, a parametre kompatibility U(r+1);r, ktorými modul AMr+1 ovplyvňuje priamo prepojený nadväzujúci modul AMrv štruktúre MR.
Funkciu štruktúry MR určuje vzájomný vzťah modulov AM, vychádzajúci z ich usporiadania v systémovej štruktúre Y robota, určujúcej spôsob a postupnosť ich funkcií. Možnosti spojenia modulov AMia AMj môžu byť popísané maticou systémovej štruktúry SMR (matica typu n × n, kde n je počet modulov AM1, AM2 ... AMntvoriacich MR). Prvky matice SMR sú sij= 1, ak existuje možnosť spojenia AMia AMj, a sij= 0, ak neexistuje možnosť spojenia modulov.
Spojením modulov AM1, AM2 ... AMn možno zostaviť MR so žiadnym alebo niekoľkými stupňami voľnosti. Pohybové možnosti MR k zadanému súradnicovému systému možno analyzovať z pohybovej matice BMR (matica typu n × n), pričom bij= 0, ak neexistuje spojenie medzi AMia AMj, a bij= 0, ak spojením modulov vznikne celok bez pohybových možností.
Modul AM (základný stavebný prvok v modulárnej architektúre systému) sa definuje ako unifikovaná štrukturálne, funkčne a konštrukčne samostatná jednotka zostavená z prvkov E; príklady sú mechanický modul, servopohon, variantne aj zdroj, riadiaci a komunikačný modul. Modul má určenú úroveň integrácie funkcií (hlavná, vedľajšia, pomocná), „inteligenciu“ (kontrolno-informačná, riadiaca a rozhodovacia funkcia), schopnosť mechanického a riadiaceho spájania sa (kompatibilita) s inými modulmi do funkčne vyšších celkov MR. AM jednoznačne naplňuje základnú funkciu MR (motor – funkcia pohonu, rám – nosná funkcia, pohybová jednotka – pohyb vo funkčnej osi, chápadlo – uchopovacia funkcia). V konkrétnej architektúre MR má AM vyhovovať svojimi technickými parametrami požiadavkám úlohy, spĺňať požiadavky kvality, životnosti a bezpečnosti. V systéme MR sú AM vzájomne zameniteľné, s ostatnými časťami systému MR sú spojené štandardnými (resp. účelovými) spojovacími prvkami.
Moduly AM podľa významnosti vzťahu k funkciám MR možno klasifikovať ako hlavné, ktoré zabezpečujú hlavnú funkciu (počet l z celkového počtu n modulov, napr. pohybové moduly), vedľajšie, ktoré zabezpečujú vedľajšiu podmieňujúcu funkciu (počet m z celkového počtu a modulov, napr. spojovací modul), a pomocné, zabezpečujúce pomocnú funkciu (zostávajúci počet k = n – l – m z celkového počtu n modulov, napr. nosič). Nadväzne možno MR opísať zostavou modulov AM podľa ich významnosti k funkciám MR:
Ψ = Ψl+ Ψm+ Ψk
kde Ψl,ΨmaΨksú systémové štruktúry hlavných, vedľajších a pomocných modulov.
Modulárne riešenie konštrukcie robotov zaručuje požadovanú rôznorodosť, počet variant a možností konfigurovania rodiny robotov v určenej kategórii podľa požiadaviek úlohy. Modulárne koncepcie sú všeobecne poznačené snahou o unifikáciu a univerzálnosť jednotlivých modulov, pričom cieľom je využiť moduly v čo najširšom spektre variant robotov. Efektívnosť modulárnej koncepcie robotov zvyšuje následné zoskupenie vhodných modulov do skupín, ktoré sú opakovane použiteľné (a aj vyrábané) vo forme konštrukčnej bázy pre použitie v určitej oblasti technológií. To je jadrom princípu vytvorenia modulárnej platformy robotov. Modulárna platforma robotov môže byť zostavovaná pre:
-
celú skupinu manipulačných a pracovných technológií, t. j. platforma vytvárajúca potenciál pre konštrukciu modulárnych robotov podľa ich určenia,
-
jednu skupinu manipulačných či pracovných technológií, t. j. platforma vytvárajúca potenciál pre konštrukciu rôznych variant robotov v rámci jednej kategórie ich určenia.
Skupina modulov (obecne závisí od druhu výrobku, na ktorý sa aplikuje modulárny princíp konštrukcie) sa chápe ako vyššia forma realizácie modulárnej koncepcie robotov (z čo najmenšieho počtu modulov zostaviť čo najväčší počet variant). Súčasne metodiky a im odpovedajúce techniky dávajú možnosť hodnotiť konštrukcie robotov podľa tzv. miery modulárnosti a následne objektivizovať moduly platformy pre určený priestor použitia robotov.
3. Metodika navrhovania modulárnych robotov
Metodika určenia hraníc efektívneho využitia modulárnych robotov v súčasnosti nie je všeobecne prezentovaná. Analýza skúseností z použitia tohto prístupu v stavbe výrobnej techniky, ako aj analýza potrieb súčasnej robotickej praxe dovoľujú sformovať schému prístupu k navrhovaniu MR podľa obr. 3.
Pri navrhovaní MR je vhodné použiť systematické metódy konštruovania (analýza, syntéza, dedukcia, indukcia, zovšeobecnenie atď.). V etape analýzy je treba zamerať sa na výber hlavných funkcií MR, vyplývajúcich z výsledkov analýzy zadania. Výstupom je určenie požiadaviek (vlastnosti, parametre) na MR a parametrizácia vstupných údajov pre riešenie. V etape syntézy sa žiada navrhnúť zostavu modulov AM so specifikovanými funkciami a parametrami. Nadväzne je nutné na báze základnej štruktúry MR zostaviť platformu AM tak, aby sa variantmi ich vzájomného usporiadania a ich pružnou zmenou zaručilo optimálne zostavenie požadovaných funkčných štruktúr MR, resp. zostavenie očakávaných variant MR viazaných na zmenu požiadaviek na MR.
Pri navrhovaní platformy AM je potrebné postupovať tak, aby ich zostava mala najmä tieto znaky:
-
jednotnosť konštrukcie modulov určených na realizáciu rovnakej výstupnej funkcie (kompaktné moduly so združenými funkciami, pohybové moduly so skráteným kinematickým reťazcom s integrovanými pohonovými agregátmi a interorecepčnou senzorikou atď.),
-
typorozmerový rad,
-
konštrukčnú autonómnosť k druhu pohonovej energie a typu riadenia (exteroreceptory s prihliadnutím k špecifikám požiadaviek aplikácie, servoosi dovoľujúce kombinovať elektrické a pneumatické pohony v kompatibilných pohybových moduloch atď.),
-
vzájomnú kompatibilitu a prepojitelnosť v rôznych priestorových smeroch s vysokým stupňom flexibility (pružná modifikácia funkčných a kinematických zostáv robotov podľa operatívnej potreby),
-
vysokú vnútornú unifikáciu funkčných uzlov.
4. Prístup k využitiu modulárnej konštrukcie robotov
Idea modulárnej platformy robotov vychádza z výsledkov analýzy doterajšieho vývoja užitia princípu modulárnych štruktúr v robotike. Možno konštatovať, že výskum a vývoj MR sa uplatňujú najmä v servisnej robotike, kde umožňujú efektívne riešiť flexibilitu robota pri zmenách operačného prostredia (mobilná platforma, podvozkové funkčné skupiny, funkcia mobility, neštruktúrované prostredie atď.), alebo pri zmenách úlohy (zmeny scenára, neštruktúrované procesy, zmena nástrojov a pod.). V priemyselnej robotike je spravidla stabilne štruktúrované prostredie a aj zadanie úlohy je stabilné. Preto súčasné úlohy priamo nevyžadujú roboty typu MR. Vývoj však naznačuje, že pri projektovaniu automatizovaných pracovísk s robotmi začína intenzívny vývoj kinematických štruktúr pracoviska ako celku (nielen robota). Táto skutočnosť podporuje zavedenie idey MR aj do kategórie priemyselných robotov. Nadväzne možno predpokladať, že vývoj MR bude postupovať v troch fázach:
-
1. fáza: dosiahnutie rekonfigurovateľnosti kinematických štruktúr subsystému polohovania robota vývojom autonómnych metamorfických pohybových modulov AM (zmena usporiadania, zmena rozsahov pohybov, doplnenie mikropohybov atď.),
-
2. fáza: integrácia výkonovej a riadiacej elektroniky do AM vývojom hardvérového a softvérového vybavenia pre rôzne konfigurácie MR (integrované pohonové agregáty, ventilové terminály a pod.),
-
3. fáza: väčšia autonómnosť a vyššia úroveň inteligencie AM a MR so schopnosťou identifikovať a diagnostikovať vlastné poruchy a nadväzne sa rekonfigurovať na postporuchový režim pri minimalizácii intervencií zvonku.
Idea modulárnej platformy predstavená na základe uvedených poznatkov a zhodnotení rozvíja modulárnosť robotov v dvoch koncepčných smeroch (obr. 4).
5. Výber riešení modulárnych robotov
Predstavená idea modulárnej konštrukcie robotov sa overila na viacerých riešeniach ak jednotlivých modulov, tak aj úplných zostáv robotov.
Vo vzťahu k realizácii druhej fázy vývoja MR možno využiť a novo rozvinúť súčasnú bázu modulov funkčných jednotiek. Inovácie je potrebné orientovať najmä do rozvoja typorozmerových rád (vrátane princípov vzájomnej kompatibility), do integrácie funkcií a do zvýšenia úrovne vnútornej inteligencie (najmä samodiagnostiky).
Bázu takto pripravených modulov možno následne využiť pri zostavovaní modulárnych koncepcií robotov, ktoré jednoduchou prestavbou (pri odstavení ich prevádzky) možno modifikovať a prispôsobovať (varianty základnej štruktúry) na využitie v nových (zmenených) úlohách.
Kľúčovým bodom je riešenie pružnej automatickej zmeny usporiadania AM v štruktúre MR, t. j. rýchly a spoľahlivý systém automatickej výmeny, resp. samovýmeny modulov AM. Konštrukčné riešenie rotačného AM môže vychádzať z idey integrovaného modulu (obr. 5) zostaveného z prvkov (1) motor, (2) prevod, (3) kužeľový prevod, (4) snímač polohy, (5) výkonová elektronika, (6) elektronika, (7) senzory a (8) systém pre automatickú výmenu modulu. Detailné riešenie bude dané možnosťami a vlastnosťami použitých mechanických, hardvérových a softvérových komponent a prvkov. Pre riešenie systému výmeny modulov AM je potrebné zvoliť funkčne spoľahlivý a konštrukčne jednoduchý princíp zaručujúci automatickú výmenu (obr. 6).
Na základe skúseností z riešenia možno zdôrazniť najmä:
-
miniaturizáciu a integráciu použitých komponent a prvkov (mechanické prvky, pohon, zdroj, modul riadenia, komunikačný modul, senzory atď.),
-
softvérovú úpravu funkcie samoreguľovateľnosti,
-
vysokú funkčnosť a prevádzkovú spoľahlivosť,
-
minimalizáciu operačných časov potrebných na úkony automatickej výmeny,
-
vysokú úroveň bezpečnosti prevádzky, najmä proti samovoľnému uvolneniu,
-
zabezpečenie pevného mechanického spojenia s opakovatelnosťou vysokej presnosti vzájomnej polohy vymieňaných modulov,
-
zabezpečenie efektívneho a prevádzkovo spoľahlivého prenosu pohonovej energie, riadiacich a kontrolno-blokovacích signálov.
Pri navrhovaní a konštruovaní MR je vhodné vychádzať z požadovaných funkcií robota a nadväzne stanoviť možné konfigurácie zvolených modulov AM na základe zostaveného súboru optimalizačných podmienok a kritérií. Výsledkom riešenia MR je možnosť flexibilne zostaviť varianty „typových zostáv“ robota, ktoré spĺňajú požadované štrukturálne a funkčné vlastnosti pre zadanú úlohu a ňou vyvolané zmeny robota.
6. Záver
Problematika riešenia a použitia MR sa postupne stáva vysoko aktuálnou témou teoretickej, ale aj praktickej robotiky. Je to logický dôsledok zmien pomeru ceny práce (výkonná práca pri manuálnych operáciách) a ceny komponentov automatizačnej a robotickej techniky, ako aj dôsledok zmeny kritérií na posudzovanie efektívnosti automatizácie výrobných a nevýrobných procesov. Nadväzne problematika MR má svoj priestor pre riešenie aj v našich podmienkach.
Príspevok uvádza prístup k možným koncepciám MR z pohľadu ich reálneho používania a naznačuje teoretický a konštrukčný prístup k ich riešeniu. Predstavený prístup je podporený aj tým, že v súčasnosti v konštruovaniu robotickej techniky dominuje vysoká miera stavebnicovosti, v ktorej možno široko uplatniť princíp modulárnosti (rast stavebnicovosti riešení robotov z približne 25 % v roku 1985 na súčasných približne 80 až 85 % z celkového počtu realizovaných).
Literatúra:
[1] FUJITA, M. – KITANO, K. – KAGEYAMA, K.: Reconifugurable physical agents. In: Proceedings of the International Conference on Autonomous Agents, Minneapolis/St. Paul, USA, 1998, pp. 54–61, ISBN 0-89791-983-1.
[2] JANTAPREMJIT, P. – AUSTIN, D.: Design of a Modular Self-Reconfigurable Robot. In: Proceedings of Australian Conference on Robotics and Automation, Sydney, Australia, 2001, pp. 361–368.
[3] KOTAY, K. – RUS, D. – VONA, M. a kol.: The self – reconfiguring robotic molecule. In: Proceedings of the International Conference IEEE on Robotics and Automation, Leuven, Belgium, 1998, pp. 424–431.
[4] PALKO, A.: Modular Robotics system. In: Proceedings 2th Project Workshop on CIM and Robotics Applications, Mihajlo Pupin Institute Beograd (Yugoslavia), 1991, pp. 54–60.
[5] PALKO, A.: Modular metamorphic robots. In: International Scientific Conference 55th Anniversary of Foundation of the Faculty of Mechanical Engineering. Session 5 – Robotics. VŠB-TU FS Ostrava, Ostrava (Česko), 2005, pp. 89–91.
[6] PALKO, A. – NEČEJ, P.: Navrhovanie optimálnej konfigurácie modulárnych robotických zariadení. In: Zborník 3. medzinárodnej konferencie ROBTEP´97, Prešov (Slovakia), 1997, pp. 71–73.
[7] PALKO, A. – SMRČEK, J.: Robotika. Koncové efektory pre priemyselné a servisné roboty. Navrhovanie – konštrukcia – riešenie. Edícia vedeckej a odbornej literatúry SjF TU Košice, Košice, 2004, ISBN 80-8073-218-3.
[8] SMRČEK, J. – TULEJA, P. – SVETLÍK, J. a kol.: Prístup ku konštrukcii robotických zariadení modulárnej koncepcie. In: Zborník vedeckých prác 6. medzinárodnej konferencie ROBTEP 2002 – Automatizácia/Robotika v teórii a praxi, SjF TU Košice, Košice (Slovakia), 2002, s. 359–364.
[9] SMRČEK, J. – HAJDUK, M. – ČOP, V.: Recent Development of Robotics and the Needs for Development of Relevant Areas. In: Proceedings 2nd Slovakian-Hungarian Joint Symposium on Applied Machine Intelligence SAMI 04, Budapest Polytechnic, Budapest and TU Košice, Herľany (Slovakia), 2004, pp. 209–217.
[10] SMRČEK, J. – PALKO, A. – BOBOVSKÝ, Z. a kol.: Metamorfické roboty, metódy konštruovania a modelovania. ATP Journal plus, roč. XIV, č. 1/2007, HMH Bratislava, 2007, s. 193–198, ISSN 1336-5010.
doc. Ing. Anton Palko, CSc.,
Fakulta výrobných technológií Technickej univerzity v Košiciach, so sídlom v Prešove
Lektorovali:
prof. Ing. Zdeněk Kolíbal, CSc.,
ústav výrobních strojů, systémů a robotiky, FSI VUT v Brně;
prof. Ing. Jiří Skařupa, CSc.,
katedra robototechniky, VŠB – Technická univerzita Ostrava
Doc. Ing. Anton Palko, CSc., od roku 1976 pracoval ako vývojový konštruktér priemyselných robotov vo Výskumnom ústave kovov (VUKOV) Prešov. Priamo sa podieľal na vývoji robotov PR16, PR32 a APR 20. V roku 1983 spracoval ako zodpovedný riešiteľ koncepciu stavby modulárnych robotov, čo vyústilo do vývoja modulárneho robota APR 2,5, ktorý bol úspešne uvedený do opakovanej výroby. Výsledok analýz pri vývoji robotov APR 2,5 bol spracovaný do kandidátskej dizertačnej práce na tému Analýza funkcií a syntéza štruktúr modulárnych robotov pre montáž, ktorú obhájil v roku 1988 na SjF v Košiciach. Od roku 1988 pôsobí ako externý pedagóg na SjF v Košiciach a v poslednom období na FVT v Prešove, kde prednáša problematiku konštrukcie robotickej techniky s orientáciou aj na servisné roboty. V roku 1994 obhájil habilitačnú prácu na SjF TU v Košiciach. Od roku 1997 je majiteľom firmy H. M. Transtech, s. r. o., Prešov, ktorá sa zaoberá vývojom a výrobou tvárniacich strojov. Paralelne sa popri pedagogickom procese aktívne venuje aj problematike rozvoja modulárnych štruktúr strojov s orientáciou na robotiku. Vydal knižnú monografiu Konštrukcia koncových efektorov pre roboty a niekoľko skrípt a študijných materiálov.
Obr. 1. Systémové usporiadanie modulárnej štruktúry MR
Obr. 2. Charakteristika modulu AM
Obr. 3. Schéma prístupu k navrhovaniu MR
Obr. 4. Idea modulárnej platformy konštrukcie robotov
Obr. 5. Idea rotačného AM
Obr. 6. Idea prepojovacieho mechanizmu AM