Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Neštandardné postupy vo vývoji a využití robotickej techniky

číslo 5/2006

Neštandardné postupy vo vývoji a využití robotickej techniky

Súčasné trendy rozvoja a využívania automatizácie a robotizácie vo výrobnej, ale tiež nevýrobnej sfére výrazne prispievajú k rastu významu ich základných prostriedkov, stelesnených napokon v automatizovaných výrobných strojoch a manipulačných zariadeniach formujúcich sa do širokospektrálnych sústav. Udržať využiteľnosť základných prostriedkov na požadovanej úrovni a v súlade s dynamikou a globalizáciou trhu si vyžaduje odpovedajúce projektovanie, realizáciu a prevádzku moderných strojových systémov so znakmi adaptability, agilnosti a racionálnosti funkcií a činnosti.

Charakteristika problému

Robotická technika reprezentuje jeden zo základných prvkov modernizácie, reštrukturalizácie a komplexnej automatizácie výrobných systémov. Odráža sa to v rýchlom rozvoji jej funkčných znakov, ako je kinematika, pohony, riadenie, vnímanie okolia, samostatné rozhodovanie a priama komunikácia s človekom.

V súčasnosti robotická technika predstavuje plne rozvinuté technické systémy, ktoré výkonne a efektívne kooperujú s výrobnými systémami v priemyselných odvetviach a postupne nachádzajú široké uplatnenie aj v nevýrobných a nepriemyselných odvetviach. Technická úroveň robotickej techniky sa ďalej zvyšuje vývojom jej subsystémov a inováciami funkcií a prvkov podieľajúcich sa na architektúre a morfológii týchto zariadení.

Razantný prienik priemyselných robotov do technologických procesov v poslednej štvrtine minulého storočia je už z dnešného pohľadu zhodnocovaný rovnocenne so základnými výrobnými prostriedkami. Ich potrebu uspokojuje široká sieť špecializovaných producentov, ovládajúcich celosvetové trhy. Bez tejto komodity si reálna prax nedokáže predstaviť efektívnu výrobu osobných a úžitkových automobilov, spotrebnej elektroniky, výpočtovej techniky či bielej techniky. Realitou sú teraz aplikácie robotickej techniky v potravinárskom, sklárskom, drevárskom priemysle a v iných nestrojárskych odvetviach.

S dynamickým rozvojom aplikácií priemyselných robotov sa paralelne začínajú uplatňovať roboty pre aplikácie v sektore služieb, nazývané servisné roboty. Roboty skúmajú morské dno, renovujú jadrové reaktory, napomáhajú v mozgovej mikrochirurgii, plnia technologické úlohy pri dávkovaní a balení liekov vo farmaceutickom priemysle s vysokými nárokmi na čistotu, slúžia telesne postihnutým osobám. Odborníci predpokladajú, že ich rozvoj bude zrovnateľný s rozvojom v automobilovom priemysle. Prvé reálne výsledky sa dosiahli aj v oblasti personálnych robotov, slúžiacich pre relaxačné, vzdelávacie a rehabilitačné potreby človeka. Ich výraznejšie uplatnenie sa očakáva po roku 2010.

Pri podrobnejšej analýze aplikácií robotickej techniky možno konštatovať, že rozsah možných aplikácií, diverzibilita procesov a prostredia aplikácie sú takmer neobmedzené. Zodpovedá tomu rast odbornej pripravenosti na ich riešenie, rozvoj metód a nástrojov pre podporu ich riešenia a formovanie potenciálu pre principiálne nové riešenia, a to aj v dlhodobej perspektíve [2].

Identifikácia vlastností robotickej techniky

Pod robotickou technikou sa rozumejú automatizované zariadenia vykonávajúce rôznorodé pohybové aktivity, určené predovšetkým pre manipulačné činnosti (operačná a medzioperačná manipulácia), špeciálne činnosti manipulácie (triedenie, meranie, dávkovanie, balenie a paletizácia) a činnosti súvisiace s profilovaním výrobku (zváranie, povrchové úpravy, montáž, preprava zmesi). Robotická technika svojimi pohybovými členmi tieto aktivity priamo zabezpečuje alebo ich prostredníctvom tieto aktivity transponuje. Predstavuje komplexný strojový systém, ktorý (obr. 1) integruje subsystémy motoriky (kinematický mechanizmus, pohony), riadenia (on-board, operátorské) a senzoriky (odmeriavanie, vnímanie) a je schopný autonómnej a cieľovo orientovanej interakcie v reálnom prostredí.

Obr. 1.

Obr. 1. Koncepcia vyspelej robotickej techniky

Koncepcia vyspelej robotickej techniky a usporiadanie funkčných podskupín tu sú predstavené z funkčného pohľadu, fyzikálne sa však môžu jednotlivé podsystémy prelínať, nakoľko ich poslaním je fyzikálne pôsobenie na okolie.

Pracovným orgánom, ktorým robotická technika pôsobí na interaktívne okolie (objekt, scéna) v súlade s požadovanými manipulačnými alebo technologickými úkonmi, je interakčná časť (pracovný člen – objekt) alebo medzioperačná časť (mobilná základňa – scéna), popr. operačná časť (manipulačná nadstavba – objekt, scéna). Všetky pohybové osi interakčnej, operačnej a medzioperačnej časti sú vybavené pohonmi, ktorých činnosť v najjednoduchšom prípade ovláda systém programového riadenia, využívajúci buď otvorené, alebo uzavreté regulačné obvody. V prípade uzavretých regulačných obvodov je robotická technika vybavená snímačmi polôh pre polohovú spätnú väzbu. Takto zostavená robotická technika je síce schopná plnenia automatických funkcií, avšak nedostáva informácie o svojom okolí. Pre tento účel musí byť dovybavená senzorovou technikou, podporenou pomerne rozsiahlym programovým vybavením. Komplexnejšie prevedenia s vonkajším senzorovým vybavením sú zatiaľ využívané len v obmedzenom rozsahu a sú predmetom pokračujúcich vývojových snažení, ktoré prispôsobujú adaptívne schopnosti robotickej techniky požiadavkám komunikácie s bezprostredným pracovným okolím. Predstavu vyspelej robotickej techniky poskytujú kognitívne systémy, ktoré už sú vybavené možnosťami vnímania a „racionálneho„ myslenia bez citových vnemov a voľného jednania. Vyznačujú sa naviac okrem autonómnosti chovania vysokou univerzálnosťou, existenciou väzieb s vonkajším okolím a priestorovou konštrukčnou sústredenosťou.

Vývojové znaky modernej robotickej techniky

Realizácia nových prvkov v robotickej technike prechádza rôznymi podobami, odpovedajúcimi požiadavkám oblastí aplikácie a technickým možnostiam komponentov, ktoré sú zatiaľ k dispozícii. Je spájaná predovšetkým s vývojom týchto častí:

Konštrukcie – vývoj konštrukcií pre práce v poľnohospodárstve, lesníctve, stavebníctve, baníctve, energetike a komunálnej oblasti. Očakáva sa vysoká autonómnosť, mobilnosť, adaptívnosť, ako aj vysoký stupeň integrovateľnosti a kompatibilnosti s okolím. Predpokladajú sa nové spôsoby premiestňovania (plazenie, šplhanie) a integrácie funkcií (premiestňovanie, polohovanie a orientácia, technologická a manipulačná transformácia). Ponúka sa pri stavbe využiť ľahké zliatiny, kompozitné konštrukčné materiály s uhlíkovými a sklenenými vláknami, popr. polymérmi.

Pohony – uprednostňujú sa priame pohony, od ktorých sa očakáva popri zmenách kvality v motorike zároveň zvýšenie presnosti polohovania a spoľahlivosti.

Koncové členy (efectors) – vývoj štandardných radov konštrukcií, osadených výkonnými senzorickými systémami vhodnými pre adaptívne aplikácie v špecializovaných činnostiach renovácie a rekonštrukcie. Aktuálne sú univerzálne konštrukcie pre náročné technologické činnosti spojené s vysokými výkonovými parametrami a presnosťou (priblíženie a delenie materiálu, dávkovanie a nanášanie materiálu).

Riadenie – vývoj riadiacich systémov s vyššou kapacitou pamäti a širšími možnosťami pri spracovaní informácií, kompatibilných s počítačovými systémami, s možnosťou práce v sieti a komunikačných systémoch, podporených dokonalejším programovým vybavením (na báze spracovania ľudskej reči alebo aplikáciami kompatibilnými so systémami CAD).

Senzory – vývoj vizuálnych, laserových a taktilných (dotykových) senzorov, schopných nahradiť zmysly človeka. Značná pozornosť sa venuje samostatnej oblasti technického videnia na báze špeciálnych rozpoznávacích systémov, ktoré by z aplikačného, a tým aj komerčného hľadiska výraznejšie priblížili robotickú techniku k technológiám merania, kontroly a akosti výrobkov a tak podporili oblasť montáže.

Nové možnosti vo vývoji a využití robotickej techniky

Množstvo pracovných činností, v ktorých sa uplatňuje robotická technika, je postavené na relatívnom vzťahu medzi interakčným členom (akčný člen, mobilná základňa) a predmetom činnosti (objekt, interaktívne okolie). Základňou pre realizáciu tohto vzťahu je architektúra robotickej techniky, ktorú predstavujú mechanické systémy realizujúce prenos pohybov a síl s konečným efektom vedenia koncového člena (efector) pre priame alebo transponované vykonávanie manipulačných a technologických operácií alebo zmeny pozície robota (všesmerový presun základne) v priebehu výrobnej operácie na interaktívnom okolí. Skladajú sa z uzavretého počtu vzájomne pohyblivo spojených kinematických členov, z ktorých jeden sa nepohybuje a tvorí základný rám. Zostava viacerých navzájom spojených členov vytvára kinematický reťazec, ktorý u robotickej techniky spravidla býva otvorený (sériová kinematika) a má veľké nároky na priestorové usporiadanie, základňu prvkov a realizačné náklady. Technická prax preto čoraz viac siaha po nových riešeniach, predstavujúcich koncentráciu funkcií priamo sa premietajúcu do integrovanej konštrukcie. Výsledkom sú riešenia orientované na vývoj uzavretej kinematiky (paralelná kinematika) [1], ktorá síce poskytuje koncentráciu funkcií a činností, ale diferencovane v rámci jednotlivých pracovných častí (interakčná, operačná a medzioperačná) robotickej techniky, a nie komplexne. Tieto časti sú často predstavované ako súbor autonómnych subsystémov (interakcie, manipulácie, lokomócie) so špecifickými mechanickými, riadiacimi a energetickými vlastnosťami, ako napr.:

  • V mechanizme sa objavuje veľké množstvo kinematických dvojíc. Problémom je zabezpečiť dostatočnú pevnosť a tuhosť vedení a ich pohonu vzhľadom na veľkú a mimoriadne variabilnú silovú záťaž.

  • Riadenie je značne komplikované. To vyplýva z mnohorozmernosti riadenej sústavy. Povaha zákonov riadenia smeruje ku konštrukcii rozsiahleho hierarchického riadiaceho systému.

  • Spravidla neexistuje samosvorný statický stav, keď sú statické sily kompenzované konštrukciou mobilnej základne. Aj stojací podvozok vyžaduje aktívnu činnosť pohonnej sústavy a spotrebováva energiu aj pre elimináciu statických síl.

Úsilie o komplexnú činnosť v rámci integrovaného kinematického reťazca (interakcie, manipulácie, lokomócie) vedie k vývoju a využitiu nových štruktúr pre robotickú techniku a zároveň vyvoláva potrebu nových koncepcií prvkov a uzlov [4] v nej uplatnených. V robotickej technike tento handicap možno sčasti eliminovať riešeniami umožňujúcimi premenu a rozšírenie funkcií [3] na základe:

  • multifunkčnosti realizačných modulov,
  • adaptabilnosti, využitím optimálnych princípov generovania energie a jej transformácie,
  • rekonfiguračných schopností,
  • účinného adaptívneho spôsobu riadenia pre priame a reverzibilné operácie.

Výsledkom je menší počet autonómnych subsystémov a prispôsobivosť rôznym výrobným úlohám a ľubovoľným podobám okolia. Ide napr. o rekonfigurovateľné manipulačno-lokomočné subsystémy. Manipulačno-lokomočný subsystém zaisťuje efektívny presun robotickej techniky na pracovnej scéne (poloha, orientácia) a vedenie pracovného člena pre vykonávanie výrobných operácií po stanovenej trajektórii.

Obr. 2.

Obr. 2. Modelová koncepcia integrovanej kinematiky robotickej techniky

Modelová koncepcia integrovanej kinematiky robotickej techniky (obr. 2) je postavená na myšlienke premeny integrovaných funkcií bezprostredne prispôsobených oblasti aplikácie (tu napr. čistenie a obnova obvodových plášťov budov) a technicko-realizačným podmienkam.

Od robotickej techniky určenej pre čistenie a obnovu obvodových plášťov budov sa vyžaduje schopnosť pohybu po vertikálnej rovinnej ploche so stanoveným dosahom od energetického zdroja, schopnosť technologickej nadstavby pracovať v rôznych operačných režimoch (prostriedky na čistenie – umývacie kefy a stierky, dýzy omietacích hmôt, striekacia pištoľ a iné) a ich automatická výmena. Nepostrádateľné sú požiadavky na bezproblémovú a rýchlu inštaláciu na interaktívnu scénu (stena, traverza), k energetickým a technologickým zdrojom a na bezproblémovú obsluhu.

Špecifikom integrovanej kinematiky X, Z-manipulácie a lokomócie na obr. 2a je predstava relatívneho vzťahu koncových členov (základný, pracovný) kinematického reťazca k referenčnej základni. Tvoria ju dve ramená, ktoré sú na jednom konci kĺbovo spojené a na druhom, relatívne voľnom konci opatrené multifunkčnými kĺbmi – posuvným a fixačným (rameno 1) a posuvným, fixačným a interakčným (rameno 2).

Integrovaná kinematika umožňuje rovinný pohyb koncových členov (posuvný pohyb v osiach x a z, rotačný pohyb okolo osi y), odvodený od integrovaného stavebného reťazca s tromi stupňami voľnosti. Tomu odpovedá konštrukcia s tromi ovládanými pohybmi (otáčanie okolo bodov A a B, zalomenie okolo bodu C). Použité riešenie využíva systém skrížených lineárnych, spravidla symetricky usporiadaných pohonov (obr. 2b).

Návrh konštrukcie robotickej techniky je založený na zvolenej kinematickej štruktúre a použití integrovaných pohonných jednotiek. Ďalšími konštrukčnými prvkami, ktoré je potrebné navrhnúť, sú oba koncové členy. Základom oboch koncových členov (základný, pracovný) je pasívne posuvný a aktívny fixačný mechanizmus umožňujúci preorientovať rameno 1 a rameno 2 relatívne k referenčnej základni. Pracovný člen je ešte rozšírený o technologickú nadstavbu, ktorá priamo vykonáva technologické operácie v cieľovom bode: zhromažďuje informácie (optické, akustické a iné senzory) a koná konkrétnu pracovnú činnosť (čistenie, nanášanie náterových hmôt a iné).

Režim lokomócie (zmeny pozície robotickej techniky) je realizovaný zámenou nosných základní, tzn. nosná základňa (rám) postupne prechádza (v uzavretom manipulačnom cykle) z kĺbu ramena 1 na kĺb ramena 2 dovtedy, pokiaľ sa neuskutoční presun v požadovanom rozsahu (obr. 2c). Takýmto spôsobom možno dosiahnuť zmenu pozície vo vertikálnej alebo horizontálnej rovine (zvislá stena, strop), a to buď priamo (lezenie po stene), alebo nepriamo (využívanie lanových a tyčových systémov). V režimu manipulácie sa vykonáva sled manipulačných činností na pracovnej ploche. Ten je realizovaný až po napolohovaní a ustavení robotickej techniky do požadovaného miesta (nosnou základňou vždy je kĺb ramena 1).

Obr. 3.

Obr. 3. Uzavretá integrovaná kinematika robotickej techniky

Integrovaná kinematika X, Z-manipulácie a lokomócie z obr. 3 je rozšírením predchádzajúcej koncepcie o dvojicu paralelne usporiadaných ramien. Prvé konce dvojice ramien sú prepojené kĺbmi prispôsobenými pre usporiadanie pracovného člena (fixácie, interakcie) a zabezpečujú jeho vedenie (vpravo – vľavo, dopredu – dozadu) na pracovnej ploche. Druhé konce dvojice ramien sú opatrené multifunkčnými kĺbmi (posuvné a fixačné), ktoré zasa zabezpečia zmenu pozície robotickej techniky na referenčnej základni v obdobnom režime ako na obr. 2. Čiastkové pohyby môžu byť realizované v závislých a nezávislých režimoch činnosti manipulačnej a lokomočnej vetvy, pričom je zabezpečovaná autonómnymi pohonnými systémami usporiadanými v jednotlivých kĺboch (priestorová zmena pozície) alebo je odvodená od spoločného lineárneho pohonného systému usporiadaného v referenčnej základni (zmena pozície v osi).

Záver

Predkladaný príspevok poskytuje informácie o potrebe rozvoja aplikácie robotickej techniky a následne o možnosti operatívnych zmien režimov činnosti v rámci množstva rôznorodých úloh. Jadro príspevku tvorí riešiteľská analýza podstaty problému, vyúsťujúca v multifunkčné automatizované štruktúry schopné vzájomnej premeny funkcií členov kinematického reťazca. Premena funkcií rozširuje schopnosti robotickej techniky na interaktívnom okolí a posúva aplikácie do neštandardných pracovných prostredí, kde je účelná variabilita funkcií a činnosti.

Literatúra:
[1] JAKUBSKÝ, O. – TALÁCKO, J.: Manipulátor s paralelní kinematickou strukturou. In: Automatizácia/Robotika v teórii a praxi, ROBTEP 2002, Košice, 2002, s. 167Automatic design and manufacture of robotics lifeforms. Nature, 406, s. 974–978.
[3] VALENČÍK, Š.: Princípy a prípustné riešenia modulových konštrukcií manipulačných zariadení. Strojárstvo, 12/2000, MEDIA-ST, s. r. o., Bratislava, 2000, s. 38–39.
[4] VALENČÍK, Š.: Návrh a uplatnenie multifunkčného hydraulického pohonného systému. Automa, 1/2004, FCC Public, Praha, 2004, s. 12–14.

doc. Ing. Štefan Valenčík, CSc.,
KVTaR SjF, Technická univerzita v Košiciach
(stefan.valencik@tuke.sk)

Lektoroval: Ing. Ladislav Kárník, CSc.,
katedra robototechniky FS VŠB TU Ostrava