Building an industrial robot

Wielu z nas zna roboty jedynie z filmów science fiction albo kojarzy je z urządzeniami kuchennymi. Jednak roboty przemysłowe są obecnie maszynami, bez których trudno wyobrazić sobie współczesny zakład produkcyjny. Rozwój technologii sprawił, że nowoczesne roboty są coraz bardziej zgrabne i pozwalają na realizowanie różnego rodzaju zadań, przede wszystkim tych bardzo precyzyjnych. Ich funkcjonowanie nie byłoby możliwe, gdyby nie kinematyka – dziedzina fizyki, która umożliwia opis wzajemnego ruchu ciał. W tym artykule przybliżymy nieco najważniejsze pojęcia związane z kinematyką robotów przemysłowych.

Roboty przemysłowe i ich zastosowanie

Zanim jednak przejdziemy do tematu kinematyki, skupmy się na robotach przemysłowych, a konkretniej tym, czym tak naprawdę są i jakie zastosowania znajdują we współczesnym świecie.

Robot przemysłowy to urządzenie stosowane przede wszystkim w różnego rodzaju zakładach produkcyjnych, w których kluczem do usprawnienia działań jest automatyzacja procesów. Dzięki odpowiednio zaprogramowanym urządzeniom dostosowanym do konkretnej linii produkcyjnej możliwe jest nie tylko przyspieszenie produkcji, ale również uczynienie jej powtarzalną i niezwykle precyzyjną, co przekłada się na jakość wyrobów czy większą efektywność działań.

Roboty przemysłowe wykorzystywane są na różnych etapach produkcyjnych. Dzięki zaawansowaniu technologicznemu mogą one wykonywać wiele żmudnych i powtarzalnych czynności, za które odpowiedzialny był jeszcze do niedawna wyłącznie człowiek. Umożliwiają między innymi:

• składowanie i paletyzację;
• sortowanie i pakowanie;
• spawanie i zgrzewanie;
• malowanie;
• cięcie;
• wiercenie;
• klejenie;
• montowanie układów;
• dokonywanie różnego rodzaju inspekcji i pomiarów.

Wiele z tych zadań wymaga bardzo dużej precyzji. W związku z tym budowa robota przemysłowego musi opierać się na odpowiednich podzespołach oraz technologiach.

Z czego składa się robot przemysłowy?

Robot przemysłowy to układ techniczny składający się z uniwersalnej maszyny oraz programowanego układu sterowania. Najczęściej występuje pod postacią mechanicznego ramienia, które jest w stanie precyzyjnie i szybko manipulować różnymi przedmiotami – nawet tymi o bardzo dużej wadze.

Dzięki połączeniu odpowiedniej konstrukcji ramienia oraz właściwego sterowania, robot ma możliwość sięgania do różnych punktów przestrzeni roboczej. Co więcej, interfejs w końcówce ramienia umożliwia przyłączenie różnego rodzaju narzędzi (chwytaków i innych elementów wykonawczych). Mogą one służyć, np. do malowania, przenoszenia, cięcia czy wykonywania innych zadań. To z kolei daje bardzo szerokie możliwości w zakresie wykorzystania takiego urządzenia.

Dzięki nowoczesnym rozwiązaniom technologicznym można ustalić kierunki poruszania się ramienia, siłę i precyzję manipulatora, a nawet liczbę wykonywanych przez robota operacji. Aby było to możliwe, do prawidłowego działania urządzeń automatyzujących procesy produkcji niezbędne okazuje się wykorzystanie potencjału kinematyki. Czym zatem jest kinematyka i dlaczego ma tak ogromne znaczenie?

Zgrabne i precyzyjne ruchy robota? Możliwe dzięki kinematyce!

Kinematyka jest działem fizyki i dziedziną zajmującą się geometrycznym aspektem ruchu ciał bez uwzględniania ich masy i działających na nie sił. Mówiąc nieco prościej, jest to nauka umożliwiająca matematyczny opis ruchu członów robotów przemysłowych. Dzięki niej możliwe jest udzielenie odpowiedzi na pytanie: „w jakich położeniach powinny znaleźć się poszczególne napędy robota, aby narzędzie znalazło się w zadanej pozycji w przestrzeni?”.

Każdy manipulator przemysłowy posiada swoją własną strukturę, dzięki której możliwe jest uzyskanie odpowiedniej ruchliwości. Jej najważniejszą częścią jest łańcuch kinematyczny, a więc zespół członów połączonych w spójny układ ruchu. Ruch jest możliwy dzięki temu, że pomiędzy członami występują połączenia ruchome, najczęściej obrotowe.

Kinematyka prosta i odwrotna

W obrębie kinematyki możemy wyróżnić dwa typowe zadania – zadanie proste i odwrotne. Zadanie proste stawia pytanie, gdzie znajdzie się efektor końcowy, jeśli złącza łańcucha kinematycznego są ustawione w określonej pozycji. Rozwiązanie takiego zadania jest jednoznaczne, co oznacza, że chwytak znajdzie się zawsze w tym samym miejscu.

Zadanie odwrotne kinematyki polega na odnalezieniu takiego układu pozycji poszczególnych złącz, który spowoduje umieszczenie efektora w zadanym położeniu. W kinematyce odwrotnej nie ma prostej zależności między pozycją chwytaka a pozycją konkretnego stawu. W efekcie – w przeciwieństwie do zadania kinematyki prostej – może istnieć wiele rozwiązań takiego zadania, co przekłada się na wyższy stopień komplikacji obliczeń.

Na szczęście problem wykonania dokładnych działań matematycznych i oprogramowania sterowników dotyczy wyłącznie tych osób, które zajmują się budową robotów od podstaw. Przedsiębiorcy, używający w swoich procesach zakupionych robotów przemysłowych, nie muszą specjalnie przejmować się szczegółami implementacji algorytmów sterowania robota. Taka wiedza może się jednak przydać programistom robotów przemysłowych. Dzięki niej lepiej poradzą sobie z praktycznymi problemami występującymi w czasie wdrażania robotów do wykonania konkretnego zadania.

Zalety korzystania z robotów przemysłowych

Z wykorzystania robotów w procesie produkcyjnym płynie dla przedsiębiorcy wiele korzyści. Dzięki ich budowie i zaawansowanym algorytmom sterowania dają ogromne możliwości przedsiębiorstwom produkcyjnym, zapewniając między innymi:

• zwiększenie precyzji wykonywanych działań i tym samym produktywności;
• uzyskanie powtarzalności produkcji, dzięki której każdy produkt ma takie same parametry i właściwości;
• przyspieszenie procesu produkcji na każdym jej etapie – od składowania materiałów, przez cięcie, malowanie czy montaż, aż do pakowania wyrobów;
• redukcję kosztów produkcji;
• odciążenie pracowników od żmudnych i powtarzalnych zadań, a nawet zastąpienie człowieka na wielu stanowiskach;
• podniesienie bezpieczeństwa produkcji, poprzez ograniczenie lub wyeliminowanie pracy ludzkiej z potencjalnie niebezpiecznych obszarów;
• dowolność programowania i dostosowywania prowadzonych działań do konkretnego procesu produkcyjnego.

Wszystko to sprawia, że industrial robots cieszą się rosnącą popularnością, a przedsiębiorcy coraz chętniej sięgają po nie w celu realizacji najbardziej skomplikowanych prac i osiągania celów biznesowych.