Robots : uitvoeringsvormen

Citation for published version (APA):Hendriks, P. P. M., & Bonekamp, H. F. (1992). Robots : uitvoeringsvormen. (TH Eindhoven. Afd.Werktuigbouwkunde, Vakgroep Produktietechnologie : WPB; Vol. WPA1316). Technische UniversiteitEindhoven.

Document status and date:Gepubliceerd: 01/01/1992

Document Version:Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can beimportant differences between the submitted version and the official published version of record. Peopleinterested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit theDOI to the publisher's website.• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and pagenumbers.Link to publication

General rightsCopyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright ownersand it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.

• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, pleasefollow below link for the End User Agreement:www.tue.nl/taverne

Take down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us at:openaccess@tue.nlproviding details and we will investigate your claim.

Download date: 29. Nov. 2020

Technische Universiteit EindhovenFaculteit der WerktuigbouwkundeVakgroep Produktietechnologie en Automatisering (WPA)

ROBOTS

uitvoeringsvormen

door:

rapportnr:

P.P.M HendriksH.F. Bonekamp

1316

Verslag LiteratuurstudieAfstudeerhoogleraar: Prof. ir. J.M.van BragtMentor ing. J.J.M Schrauwen

Eindhoven, Juni 192.

2

ROBOTS

UITVOERINGSVORMEN

3

SAMENVATTING

We kregen als opdraeht veor de literatuurstudie het onderzoeken

van de versehillende uitvoeringsvormen, in de ruime zin van het

woord, van robots met betrekking tot het assembleren en hanteren

van produeten uit de PALC-eel.

We z1Jn begonnen met het uitdiepen van de gesehiedenis van de

robot. Het woord robot blijkt af te stammen van het Tsjeehisehe

woord "robota". De eerste hanteerrobot is in 1954 ontworpen voor

het hanteren van hete gietstukken.

De robot kan worden opgedeeld in versehillende modules. De

hoofdmodules zijn de aandrijving, de besturing, de sensors en de

kinematisehe keten. Voer ieder van deze modules zijn een groot

aantal uitvoeringsvormen.

Er zijn veel robotfabrikanten die ieder hun eigen uitvoering

hebben. Over het algemeen liggen de prestaties niet ver uit

elkaar.

Zij bieden drie basisvermen aan te weten de portaalrobot, de

SCARA-robot en de universele robot.

Voor iedere robot zijn versehillende uitbreidingsmogelijkheden

te krijgen die de intelligentie van de robot verhogen. Hierbij

kan gedaeht worden aan senseren, visuele systemen en grijpers.

Voor wat betreft de toekomst meet het onderzoek zieh vooral gaan

toeleggen op de verdere ontwikkeling van de sensoren, de

materialen en de regelsystemen.

4

INHOUDSOPGAVE bIz.

1. GESCHIEDENIS............................................ 7

2. GRONDBEGINSELEN

2.1 Indeling van hanteerapparaten .....••.........•.... 142.2 Definitie 142.3 Opbouw van hanteerapparaten ..•....•••.......•••••. 152.4 Grijpergeleiding 16

3. MODULES

3.1 Grijper 173.2 Aandrijving 203.3 Besturing 23

3.3.1 wij ze van programmeren .........•..••••..••• 253.3.2 uitvoering v/d programmering .......••...••. 25

3 • 4 Wegmeetsystemen 263.5 Sensoren 273.6 Mobiliteit/mobiele robots

3.6.1 inleiding 323.6.2 autonome robots ......................••...• 323.6.30ntwerpoverwegingen.............•...••..••• 343.6.4 beweging 353 • 6. 5 llet sturen 383.6.6 overwegingen m.b.t. de accu ...••......••... 393.6.7 stabiliteitsoverweging .........•.•.•....... 403.6.8 intelligentie 43

3.7 visuele systemen3.7.1 inleiding 453.7.2 robot vision benaderingen .•••••••...••.••• 453.7.3 image acquisition ...............•••..•••.. 463.7.4 beeld analyse 49

4. KLASSIFICATIE VAN ROBOTS

4.1 Klassificatie naar aantal graden van vrijheid ...•• 524.2 Klassificatie naar beweging v/d robot .•..•.....••• 534.3 Klassificatie naar inteIIigentie •...•••••..•...••• 584.4 Klassificatie naar toepassingsgebied .••••.•••••.•. 58

5. UITVOERINGSVORMEN

5.1 criteria 615.2 intermez zo 625.3 alternatieven 66

5

6. TOEKOMST

• .75• ••• 76

• .76. ... . 77

• .77• ••• 77

. ..•• . 78

6.16.2

Japan 74Onderzoeksgebieden

6.2.1 sensoren .6.2.2 materialen .6.2.3 regelsystemen.6.2.4 programmering ...6.2.5 grijper.....•..6.2.6 hardware ...•..6.2.7 botsingsproblemen...

7. LITERATUURLIJST ...............................••........ 79

BIJLAGENBijlage 1. Projectstrategie•.............................•. 81

6

1. GESCHIEDENIS

In het laatste kwart van de 18e eeuw vonden verschillende

revoluties plaats, de Amerikaanse Revolutie in 1776, de

Franse Revolutie in 1789 en de Industriele Revolutie in 1760.De mechanisering begon rond deze tijd met de uitvinding van

de weefmachine die aangedreven werd door stoom. Efficiente

controle van deze nieuwe krachtbron kwam in 1788 door

uitvinding van de stoommachine door James Watt. Dit

representeerde het eerste succesvolle terugkoppelregelsysteem

dat op een machine werd gebruikt. (zie figuur 1)

!Valve

\Lever

Governor WelgtllS

Pivot

~==~+:r:::::::=$l---Connection to engine

FIGUUR 1, stoommachine

In 1796 vinden we de eerste praktische toepassing van een

krachtsysteem dat tegenwoordig uitgebreidwordt toegepast, de

hydraul ica . Dit was de hydraul ische pers die door JosephBraham werd uitgevonden (zie figuur 2).

7

Lever

Valve:ta--~;;e~

; \: ;i i

c::;;;:::::r=:;::::= Ic::::::::::) \;::;:>'" I I

~lli'=:i!:tt·~ ,i ::..,

I I I; , : I Hvdraulic pipe. I"... '

! I

Ram "

FIGUUR 2, hydraulische pers

In 1647 had Pascal uit z~Jn experimenten afgeleid dat "bijeen vloeistof in rust in aIle richtingen de druk gelijkmatig

wordt verdeeld".De ideeen van Bouchon en Falcon om een weefmachine aan te

sturen door geperforeerde kaarten werden in 1804 verbeterd

door Joseph Marie Jacquard. In deze kaarten werd een gaten­

patroon geperforeerd. -Door deze· kaarten gesynchroniseerd door

te geven aan de machine konden de bewegingen van de

schietspoel en de weefmachine zodanig gecoordineerd worden

dat een bepaald patroon werd gerealiseerd. Door gebruik te

maken van verscheidene kaarten kan een complex patroon worden

gemaakt. Deze methode was een mijlpaal in de geschiedenis van

de robotregelsystemen.

Om efficient te kunnen produceren is het noodzakelijk dat de

verschillende componenten gestandaardiseerd worden waardoor

uitwisseling mogelijk wordt. De eerste persoon die hiermee

begon was Eli Whitney in 1805 bij de fabricage van geweren

voor de Amerikaanse regering. De invloed van Whitney's

uitvindingen op de geschiedenis van de Verenigde staten isopmerkelijk, de industrialisatie van de noordelijke staten

werd versneld.

8

In 1822 waren de hydraulische principes al zover verspreid

dat in Londen een hydraulisch systeem werd gebouwd dat water

onder druk kon leveren aan fabrieken.

In datzelfde jaar kwam de Engelse uitvinder Charles Babbage

op de markt met de analytische machine, de voorloper van de

moderne digitale computer, die de "hersenen" werd van de

huidige industriele robot.

Zo'n 40 jaar later was het Herman Hollerith die de eerste

automatische calculator perfectioneerde, een ontwerp op basis

van Babbage's idee.

Rond deze tijd bereikten twee Amerikanen, Charles Moore and

Isaac Graff, afzonderlijk van elkaar succes door het con­

strueren van een door stoom aangedreven automaat.

Gedurende diezelfde periode was Thomas Edison betrokken bij

de massafabrikage van een sprekende pop die aanzienlijk

ingewikkelder was dan de traditionele, opwindbare poppen van

die tijd.

De mechanisatiegraad nam gedurende de 20e eeuw toe tot een

bijna uitzonderlijke hoogte door de gelijktijdige introductie

van veel nieuwe ideeen en concepten die ogenschijnlijk de

aard van het leven en het werk herdefinierden.

In 1921 ontlokte Karel Capek's satirisch toneelstuk Rossum's

Universal Robots in Praag veel reacties. Het centraal thema

betrof op mensen lijkende machines die dood en verderf

zaaiden, Capek's persoonlijke reactie op de destructieve

mechanisatie in Wereldoorlog I. In het toneelstuk ontdekt een

excentrieke geleerde een methode om kunstmatige wezens te

maken. Deze wezens noemt hij robots, een term die stamt van

het "Tsjecho-Slowaakse" woord robata, hetgeen betekent

"forced labour". Wanneer men terugkijkt is Rossum' s Universal

Robots misschien het meest bekend vanwege zijn introductie

van het woord robot met betrekking tot het beschrijven van

menselijke mechanisatie.

Moderne industriele robots hebben zich voornamelijk ontwik­

keld uit "teleoperators" en "numeriek bestuurde gereedschaps­

werktuigen", die rond dezelfde tijd op de markt kwamen.

9

Een teleoperator is een mechanisme dat direct en vaak op

afstand bediend wordt door een operator.Teleoperators werden voor het eerst geintroduceerd gedurende

de Tweede Wereldoorlog om radioactief materiaal te hanteren.Zij bestaan uit twee identieke manipulatoren met verscheidene

graden van vrijheid in een zogenaamde meester-slaaf confi­

guratie. Hierin dirigeert de operator de master unit terwijl

hij I gewoonlijk op afstand, de respons van de slaaf-unit

bekijkt. Teleoperators worden tegenwoordig nog steeds

gebruikt in gevaarlijke situaties.Numeriek bestuurde gereedschapswerktuigen werden kort na deteleoperators ontwikkeld als antwoord op de vraag vanuit de

vliegtuigindustrie naar precies gefabriceerde onderdelen.

Deze vraag zorgde voor een snelle ontwikkeling van het

ontwerp van regelsystemen (servomechanismen) en het gebruik

van digitale computers.

De moderne industriele robot verving de teleoperator en het

programmeerbare, numeriek bestuurde gereedschapswerktuig I

waardoor een multifunctionele eenheid ontstond met de

bewegingsflexibiliteit van de teleoperator en de program­

meermogelijkheden van de numeriek bestuurde gereedschaps­

werktuigen.Hiermee ontstond de mogelijkheid om tijdens de

fabricage eenvoudig van het ene product naar het andere om teschakelen.

Een fabrikant van radiateurs gaf in 1954 aan Planet Corpora­

tion de opdracht om een systeem te ontwerpen waarmee hete

gietstukken gehanteerd konden worden. Drie jaar later kwam

Planet met de oplossing en presenteerde die in stockholm alsPlanobot (zie figuur 3).

10

Planobot werd hydraulisch aangedreven en electronisch

geregeld. Hij had 5 graden van vrijheid, roterende en

translerende armen met als mogelijkheid tot het eenvoudig

aanpassen aan veranderingen in de productieomgeving. Dit

model was de voorloper van de hanteerrobots zoals die later

door Unimation gemaakt zouden worden.

In de loop van 1954 werden twee patenten voor robots aange­

vraagd.

In maart vroeg de Britse uitvinder Cyril W. Kenward om een

Brits patent. Het ontwerp bestond uit een tweearmige mani­

pulator met 4 graden van vrijheid die zich bewoog in een

Carthetisch coordinatenstelsel. Twee maanden later vroeg ook

de Amerikaanse uitvinder George C. Devol een patent aan. Dit

werd in 1961 toegewezen.

In de 60er jaren werden industriEHe robots werkelijkheid, dit

was voor een groot gedeelte te wijten aan de ontwikkeling van

relatief goedkope computers, het element dat noodzakelijk is

voor het co6rdineren van de verschillende regel functies.

De eerste industriele robot werd gebouwd door Unimation uit

Danbury in 1961. Deze robots werden voornamelijk gebruik voor

het laden en ontladen van gietmachines.

Na een langzame start begonnen in 1965 ook bedrijven uit

andere landen interesse te tonen. De eerste robots waren

hanteerrobots met weinig intelligentie, maar zelfs onder

slechte omstandigheden uiterst betrouwbaar.

In 1966 bouwde een Noors landbouwbedrijf een robot om

kruiwagens te verven. In 1969 kwam Unimation met de eerste

puntlasrobot op de markt en in 1972 boden zij 3 series aan.

Tegen het einde van dat jaar kwam het blad Fortune met het

bericht dat de 500e industriele robot was geinstalleerd.

Rond deze tijd werden de universiteiten betrokken bij het

onderzoek naar robots. Tegen het eind van de j aren zestig was

vooruitgang geboekt in robot mobiliteit, vision systemen en

kunstmatige intelligentie.

11

Onder licentie van Unimation ontwikkelde Kawasaki Heavy

Industries de eerste industriEHe robot in Japan. Andere

Japanse bedrijven zagen de mogelijkheden voor de robot in

Japan en in 1971 hebben zij de "Japanese Industrial Robot

Association" opgericht. Japan heeft zoveel aandacht ge­

schonken aan de robottechnologie dat zij nu marktleiders zijn

geworden.

In de eerste robots werd voornamelijk hydraulica toegepast.

De eerste geheel electrische robot die werd gebouwd kwam van

de Zweedse firma ASEA in 1973. In datzelfde jaar werd het

revolutionaire principe van de joint-constructie ge­

introduceerd door Cincinnati Milacron en werd de Noorse

Trallfa robot de eerste robot met continuous path besturing.

De volgende grote stap voorwaarts kwam in 1979. De Japanners

kwamen toen met "selective compliance assembly robot arm"

(SCARA) . (zie figuur 4)

FIGUUR 4, SCARA robot

Deze robot, ontwikkeld aan de Yamanashi Universiteit,

combineerde niet flexibele beweging in het verticale vlak met

flexibele positionering in het horizontale vlak, waardoor het

mogelijk werd onderdelen veel gemakkelijker te assembleren.

Terwijl dit principe tegenwoordig door veel fabrikanten wordt

aangeboden was het destij ds een belangrij ke stap in de

richting van het assembleren met behulp van robots.

12

Alhoewel de eerste robot al in de 50er jaren kon worden

gebruikt in verschillend industriele toepassingen, bijvoor­

beeld om arbeiders die in gevaarlijke of onhygienische

omstandigheden moesten werken te vervangen, werd hun uit­

eindelijke gebruik tegengehouden door het economische aspect

en de beschikbare hardware. In 1960 bedroegen de kosten van

een in bedrijf zijnde robot 9 dollar per uur terwijl het

uurloon van een arbeider minder dan 5 dollar bedroeg.

Tegenwoordig is het uurloon van een arbeider in de

automobielindustrie zo'n 20 dollar terwijl een robot minder

dan 6 dollar kost. Verder is de kwaliteit van het werk

verricht door een robot over het algemeen beter dan dat van

een arbeider, vooral wanneer het hier eentonig werk betreft.

Deze factor gecombineerd met het gestadig toenemende uurloon

van de werknemer, heeft ervoor gezorgd dat het gebruik van

industriele robots tussen 1983 en 1984 met 50% is gestegen.

13

2. GRONDBEGINSELEN

2.1 Indelinq van hanteerapparaten

Industrierobots behoren tot de grote groep van hanteerappa­

raten die als voIgt in te delen zijn;

Hanteerapp.manipulators

Ihandbediend programma

gestuurd______1 _

teleoperatorsmanipulators

vastgeprogrammeerd

vrijprogrammeerbaar

inlegapparaten industrierobots

2.2 Definitie van Industrierobot:

Het is onmogelijk om een alles omvattende definitie van een

industrierobot te geven. Elk land en iedere organisatie die

zich op dit gebied bezighouden hanteren een iets andere defi­

nitie. AIle definities bezitten kernwoorden als herprogram­

meerbaar, multifunctioneel, manipuleren en programmeerbare

beweging. In Westeuropa verstaan we onder een industrierobot

een universeel inzetbare bewegingsautomaat met verscheidene

assen, waarvan de bewegingen wat volgorde en weg/hoek betreft

vrij te programmeren en eventueel sensor gestuurd zijn. Hij

kan met grijpers, werktuigen of andere vervaardigingsmiddelen

uitgevoerd worden en hiermee hanteer- en/of vervaardigingsop­

drachten uitvoeren.

14

2.3 Opbouw van banteerapparaten

Een hanteerapparaat dient een punt of verscheidene punten

binnen zijn werkgebied met een bepaalde orientatie van de

grijper zo nauwkeurig mogelijk te benaderen.

Een hanteerapparaat bestaat daarom ten eerste uit een

grijpergeleidingsmodule waaraan de grijpermodule gemonteerd

wordt. De losse elementen van beide modules verkrijgen hun

bewegingen door de aandrijvingen. Een besturingsmodule zorgt

ervoor dat de aandrijvingen zodanig geactiveerd worden dat de

grijper de gewenste positie in de ruimte inneemt. Deze vier

modules zijn noodzakelijk. Daarnaast kan men nog in de

besturing een terugmelding van de Istepositie van de grijper

realiseren, waardoor men een positieregeling verkrijgt.

wegmeetsysteem

Ibesturing-aandrijvingen-grijper- -grijper-objekt en

Igeleiding

sensors

omgeving

______1

Zoln terugkoppeling berust tegenwoordig meestal op het

terugrekenen van de Istepositie aan de hand van de standen van

de draaipunten en de schuifgeleidingen. Dit kan echter aIleen

als de grijpergeleiding en de grijper tijdens het bewegen

niet vervormen. Een meting van de daadwerkelijke Istepositie

kan ook via sensors worden gerealiseerd.

15

2.4 Grijperqeleidinq

Om met een industrierobot dezelfde operaties als de mens met

zijn handen uit te kunnen voeren moet de robot zes graden van

vrijheid hebben. Deze worden gerealiseerd door een

schuifgeleiding of een draaipunt. De 6 vrijheidsgraden worden

verdeeld over de grijpergeleidng en de grijper zelf, meestal

elk 3.

Met de 3 vrijheidsgraden van de grijper-geleiding wordt het

grijppunt (het werkstuk of werktuig) in het gewenste punt in

de ruimte gebracht. De 3 vrijheids-graden van de grijper

zorgen voor het positioneren van het werkstuk of werktuig.

Tegenwoordig bezitten de hanteerapparaten en industrierobots

2 tot 8, in extreme gevallen zelfs 12 vrijheidsgraden. De

ondergrens van 2 vormen vaak de voor een speciale opdracht

benodigde apparaten(toevoeroperatie), dit zijn meestal uit

modules opgebouwde hanteerapparaten. De bovengrens wordt

gevormd door universeel toepasbare apparaten zoals

Universeelrobot.

De kinematische structuur van de grijpergeleiding is onder­

meer afhankelijk van de wijze waarop de 3 vrijheids-graden in

de grijpergeleiding uitgevoerd zijn, translatie en/of

rotatie.

De meest toegepaste structuur bevat 2 schuifgeleidingen en 1

draaipunt. Deze structuur laat een c-vormig frame toe.

Voor hanteeropdrachten wordt vaak voor een structuur met 3

draaipunten gekozen, de zgn. Kogelvormige robot.

16

3. MODULES

3.1 Grijper

De grijper bestaat uit een bewegingseenheid (3 vrijheids­

graden) en een grijpeenheid. Met behulp van de bewegings­

eenheid kan de industrierobot een werkstuk of werktuig exact

ruimtelijk positioneren.

De grijpeenheid wordt bepaald door het te gr1]pen produkt.

Het meest toegepast zijn tangen die mechanisch of pneumatisch

worden bediend maar ook vacuumgrijpers of magneetgrijpers.

Voor de bewegingseenheid bestaan 2 bouwvormen, de compacte

grijper en de bouwdoosgrijper. Bij de eerste is alles in een

module samengevat (beweging en aandrijving) waardoor een

klein bouwvolume ontstaat, echter aanpassing aan een

veranderde opdracht is moeilijk.

De bouwdoosgrijper bevat voor elk van de 3 vrijheidsgraden

een eigen bewegingsmodule, waardoor deze een hogere flexib­

iliteit bezit maar als nadeel een groter volume heeft.

Vooral het hanteren van cilindrische werkstukken is van

belang.

De grijper is een belangrijke interface tussen de robot en

zijn omgeving om de robot effectief te laten functioneren.

Grijpers voor industriele robots worden in het algemeen

gebruikt voor het hanteren van een of enkele objekten van

gelijke vorm, grootte en massa in een herhaalproces dat

minimale handigheid in grijpen benodigd en begrensd is in

haar veelzijdigheid.

Indien de robot wordt gebruikt voor het manipuleren van een

gereedschap moet de grijper het gereedschap niet aIleen

grijpen en hanteren maar ook van energie voorzien om zijn

functie te kunnen uitvoeren. In de meeste toepassingen, zoals

boog/puntlassen, verfspuiten enz, wordt het gereedschap

rechtstreeks aan de robot gemonteerd.

17

Grijpers kunnen worden ingedeeld in mechanische-vinger-type,

het vacuum type / het magnetische type en in het universele

type.

De meest gebruikte typen gr1Jpers z1Jn het pneumatisch

geactiveerde vinger-type, het vacuum type, het elektrisch

geactiveerde vinger-type en het hydraulisch geactiveerde vin­

ger-type. Vooral pneumatische systemen zijn zeer geliefd

omdat ze gemakkelijk te installeren, te gebruiken en te

onderhoudenzijn.

Mechanische vinger-type

Met behulp van vingers wordt het objekt gegrepen. Er is dan

sprake van puntkontakt of van lijnkontakt als de vingers met

een parallelverbinding Z1J n uitgevoerd waarbij de

koppelstang in de vorm van een grijpkop is. De grijper

werking berust op het omsluiten van het objekt door vingers

die naar het produkt gevormd zijn of op het wrijvingsprin­

cipe. Het wrijvingsprincipe maakt weliswaar gebruik van

eenvoudige vingervormen maar vereist weI grotere gr1Jp­

krachten. Activeren van de vingers kan op pneumatische of

hydraulische wijze, door touwen, of door stangenmechanismen

waarbij de drijfstang door een solenoide wordt aangedreven.

Elektrische grijpers gebruiken ac/dc motors of solenoiden

voor het bewegen van de bekken, maar dit brengt weer een

beperking met zich mee wat de extra massa betreft die aan het

geheel wordt toegevoerd. Hydraulische grijpers kunnen grote

krachten generen maar voegen ook een aanzienlijke massa toe.

Vacuum en magnetische grijpers

Pneumatische zuigkoppen zijn niet zo nauwkeurig als de

mechanische vingers en zijn beperkt tot relatief kleine

ladingen. Ze worden gebruikt voor het hanteren van objekten

met vlakke, gladde en schone oppervlakken zoals glaspanelen,

bladstaal, plastic panelen en papier.

18

Magnetische gr1Jpers worden gebruikt voor het hanteren van

magnetisch materiaal. Zij hebben weI het voordeel dat ze een

grote variatie in vorm en grootte van de onderdelen toestaan

en snel werken.

De magnetische werking wordt gereal iseerd door permanente

magneten of elektromagneten. Alhoewel permanente magneten

geen energiebron nodig hebben z1Jn ze weI moeilijk te

besturen. Je kunt niet zo maar de magnetische werking stoppen

je hebt andere middelen nodig om de produkten te lossen.

Elektromagnetische magneten zijn gemakkelijk te besturen en

te programmeren maar zij hebben een externe DC-bron nodig.

Zij z1Jn zwaar en kunnen elektromagnetische problemen

veroorzaken in dunne metalen onderdelen. Grijpers die op

adhesie berusten worden gebruikt bij het hanteren van

lichtgewicht materialen. Universele gr1Jpers, die verschil­

lende objekten kunnen hanteren die varieren in grootte, vorm,

gewicht en materiaal, worden op het moment niet gebruikt.

In de fabricage industrie komen vooral de cilindrisch

gevormde werkstukken voor gevolgd door de prismatische

vormen. Ongeveer 98% van aIle voorkomende produkten kan

gehanteerd worden met de grijpers van het twee-vingertype.

Op dit moment wordt het meest het parallel sluitende grij­

permechanisme van het rack-and-pinion type toegepast. Dit

type heeft echter het nadeel dat ze volumineus en mechanisch

ongeschikt zijn voor harde industriele emgevingen.

Een alternatief vormt de CT-grijper. Dit staat voor curve­

lineaire translatie, dwz. dat de bekken tijdens het sluiten

parallel blijven bewegen waar door deze geschikt zijn veer

het hanteren van prismatische voorwerpen. Het concentrisch

grijpen van cilindrische voorwerpen met varierende diameter

is normaal niet mogelijk.

Ten aanzien van de vingertoppen kan gezegd worden dat v­vormige toppen het beste resultaat geven wat de verplaatsing

van het cilindrische objekt tijdens grijpen betreft, wat de

statische grijpkrachten betreft en ten aanzien van de

fabricage fouten.

19

hydraulische

hebben echter

met een hoge

Een van de belangrijkste eisen die aan grijpers gesteld

worden is het waarborgen van de klemming. Het geklemde objekt

mag niet uit de klembekken vallen en moet stabiel zijn in

zijn geklemde orientatie. Bij sterke en stijve onderdelen kun

je dit het best verhogen door het vergroten van de

klemkracht.

3.2 Aandrijvinq

Eisen die aan de aandrijvingen van moderne industrierobots

worden gesteld;

-gering massatraagheidsmoment

-groot snelheidsregelbereik: 1 tot 5000

-hoog impulsvermogen en overlastbaarheid

-vermogen gekoppeld aan laag gewicht

Als energiebron komen elektriciteit, hydrauliek en pneumatiek

het meest voor maar de nadruk ligt op elektriciteit.

Elektrische aandrijvingen komen vooral in de vorm van

schijfmotoren en stapmotoren voor. De voordelen zijn dat de

signaaloverdracht bijna zonder vertraging plaatsvindt, de

eenvoudige bouwwijze en het overal aanwezig zijn van elek­

trische energie. Nadeel is het relatief kleine afgegeven

moment.

Hydraulische aandrijvingen voldoen het beste aan de eis van

hoog vermogen gekoppeld aan een laag gewicht omdat men met

hoge oliedruk kan werken. Nadeel is echter de noodzaak van

een oliedrukvoorziening. Daarnaast beinvloed de opwarming van

de olie de positioneernauwkeurigheid.

Pneumatische aandrijvingen maken net als

aandrijvingen snelle bewegingen mogelijk. Ze

grote luchtvolumes nodig en gaan gepaard

geluidsproduktie.

Daarnaast maakt de compressibiliteit van lucht een precieze

positionering bijna onmogelijk.

20

Ze worden hoofdzakelijk voor eenvoudige vastgeprogrammeerde

inlegapparaten gebruikt waarvan de posities door aanslagen

bepaald zijn. Voordeel ten opzichte van hydrauliek is dat

perslucht vaker aanwezig is.

In de toekomst zullen de elektrische aandrijvingen nog meer

gebruikt worden en voor snelle bewegingen van grote lasten

zullen de hydraulische aandrijvingen hun toepassing behouden.

De pneumatische aandrijvingen zullen minder worden toegepast,

dit komt mede door de procentsgewijze vermindering van

eenvoudige hanteerapparaten in de toekomst.

Direktaandrijvingen

Tegenwoordig worden bij robots bijna uitsluitend snellopende

elektromotoren met grote vertragingen toegepast.

Maar deze grote vertragingen zijn nadelig ten aanzien van de

positioneernauwkeurigheid en de baannauwkeurigheid, ten aanzien

van het benodigde vermogen voor de versnelling en de bewe­

gingssnelheden.

De nadelen van de vertragingskasten;

-elasticiteit van de vertragingskast

-speling binnen de vertragingskast

-traagheidsmoment van de vertraging

Het vertragingsmechanisme bezit de grootste elasticiteit van

de aandrijving tussen de motor en het grijper-centerpunt.

Het traagheidsmoment van de overbrenging en de zeer grote

traagheidsmomenten van het robotmechanisme zorgen voor relatief

lage mechanische eigenfrequenties, te denken valt aan

frequenties tussen 3 en 20 Hz.

Het is nu vooral de onderste mechanische eigenfrequentie die

bij conventionele regelsystemen de te bereiken

baannauwkeurigheid, het versnellingsvermogen en

21

de bewegingssnelheid begrensd. Vooral bij robots met grote

armlengten (lange schakels) beinvloedt. het

vertragingsmechanisme sterk de te bereiken positioneer­

nauwkeurigheid. Het eigen traagheidsmoment van de overbrenging

en van de motor is vaak vele malen groter dan het door de

overbrenging gereduceerde traagheidsmoment van het robot­

mechanisme. Daardoor wordt het grootste gedeelte van het

versnellingsvermogen gebruikt voor de versnelling van de motor

en de overbrenging.

Bij direktaandrijvingen vervallen de nadelen van de over­

brenging, er ontstaat dan namelijk een spelingsvrije, mecha­

nisch stijve koppeling aan het robotmechanisme. De laagste

mechanische eigenfrequentie wordt dan door de stijfheden en

traagheidsmomenten van de robotarmen bepaald waardoor er

aanzienlijk hogere eigenfrequenties optreden. Het eigen

traagheidsmoment van de direktaandrijving is vele malen lager

dan het traagheidsmoment van de robot. Het motorvermogen kan

dan bijna volledig voor het versnellen van het robotmechanisme

gebruikt worden. Hierdoor kunnen dan ook hogere versnellingen

en daarmee ook hogere bewegingssnelheden worden gerealiseerd.

De positioneernauwkeurigheid wordt aIleen nog begrensd door de

vervormingen van de armelementen.

Er zitten echter ook enkele nadelen aan direktaandrijvingen te

weteni

-variaties in het traagheidsmoment van het robotmechanisme door

verschillende standen van de assen, werken sterk door op het

totale traagheidsmoment vanwege het geringe eigen

traagheidsmoment. Er treden grote variaties in de pa~ameters

op.

-stoorkrachten(gewicht, bewerkingskrachten, centripetale

krachten) werken vanwege het geringe eigentraagheidsmoment bij

gelijk gebruik sterker door dan bij aandrijvingen met

overbrengingen en snellopende motoren.

22

-direktaandrijvingen z1Jn groter en zwaarder en bij

meebewegende asaandrijvingen kunnen ze voor een aanzienlijke

verhoging van het traagheidsmoment van de voorafgaande as

zorgen. Daarom beperkt men het gebruik van direktaandrijvingen

meestal tot 2 of 3 grondassen, de ander assen worden met

vertragingen uitgevoerd.-door de grotere variaties van de parameters en de groteregevoeligheid voor stoorkrachten van de regelkring moeten

regelstrategieen worden toegepast die grote parametervariaties

toestaan en een goed stoorgedrag bezitten.

3.3 Besturinq

De besturing dient er voor te zorgen dat de bewegingen van het

hanteerapparaat of industrierobot volgens de opdracht verlopenen dat de communicatie met de mens of een boven geordend

bedrijfssysteem gerealiseerd wordt. Voor deze beide taken kan

men de besturing in 2 bouwgroepen onderverdeeld denken nl, in

een microprocessor en een positieregelaar.

Bij eenvoudige hanteerapparaten, waarvan de posities door

middel van vaste aanslagen bepaald worden vervalt de posi­

tieregelaar. Deze pick-and-place apparaten voeren vastvoorgeschreven bewegingen uit.

Maar uit het oogpunt van de flexibiliteit worden ook voor zulke

eenvoudige besturingsopdrachten microprocessors toegepast omdat

deze een willekeurige bewegingsafloop mogelijk maken.

De besturing met behulp van zo'n microprocessor behoort al tot

de numerieke besturingen.

Bij numerieke besturingen moet men onderscheid maken tussen

Point-to-point en continious Path besturing.

-PTP-besturingi

Hierbij bewegen de assen ongeco6rdineerd waardoor tussen de

punten baankromme's ontstaan die in feite afhankelijk zijn van

23

het regelconcept en de parameters. De microprocessor moet aan

de hand van de ingegeven coordinaten van het te benaderen

ruimte punt de daartoe behorende standen van de schakels

berekenen om deze dan weer door te geven aan de regelkring. De

regelkring vormt nu uit deze standen en de door het

wegmeetsysteem teruggemelde 1stewaarden de benodigde regelacties

en geeft commando's aan de aandrijvingen.

-CP-besturing;

Hierbij worden aIle assen altijd gelijktijdig bewogen, zodat

een zo nauwkeurig mogelijk volgen van gegeven wegposities

optreedt. Hiertoe zijn er echter voor elke as positieregelaars

nodig.

Bij de CP-besturing is nog onderscheid te maken tussen quasi­

continious path en continious path. Quasi-CP betekent dat de

baan door een toereikend groot aantal punten beschreven wordt.

Deze punten worden door het bewegen langs de baan en het

opslaan van de puntcoordinaten of door middel van een

programmertoetsenbord ingegeven. Bij CP echter worden slechts

enkele karakteristieke punten ingegeven waartussen de

microprocessor via interpolatie volgens een ingegeven functie

de baanposities berekend en deze dan aan de positieregelaars

van de afzonderlijke assen doorgeeft.

Dit soort besturing wordt vooral bij knikarmapparaten

toegepast.

Daarnaast worden ook veel universele besturingen, zoals PC­

besturing(niet numeriek programmeerbaar) en CNC-besturing

(numeriek programmeerbaar) gebruikt. Zij hebben als voordeel

dat ze gemakkelijk te onderwerpen zijn aan een bovengeordende

computer. Daardoor kan de industrierobot goed in een

grootschalig automatiseringsprojekt worden gebruikt.

24

3.3.1 Wijze van programmereni

Men kan onderscheid maken tussen programmering op de werkplek,

externe programmering en een kombinatie van beide resulterend

in hybride programmering.

Bij programmering op de werkplek worden ter plaatse met behulp

van een toetsenbord de bewegingen ingegeven die de

industrierobot of het hanteerapparaat dient uit te voeren, dit

betreft dan weI eenvoudige bewegingsaflopen. Men maakt verder

nog onderscheid tussen tekstprogrammering en teach-in

programmering. Bij de eerste worden commando's ingegeven en bij

de teach-in worden de baanpunten met de "hand" benaderd waarna

de puntcoordinaten worden opgeslagen.

Externe programmering vindt bij de arbeidsvoorbereiding plaats,

dit kan off-line gebeuren in een andere ruimte.

Dus houdt geen bezetting van de industrierobot in.

Het meest vindt de hybride programmering plaats. Hier worden

programmadelen in de werkvoorbereiding samengevoegd tot een

totaal besturingsprogramma.

De programmadelen kunnen bij de werkplek gemaakt zijn of kunnen

reeds aanwezige deelprogramma's zijn.

3.3.2 Uitvoering van de programmeringi

De handbediende programmering komt hoofdzakelijk bij vast

geprogrammeerde besturingen voor, die volgens een vaste

volgorde de bewegingen sturen. De besturingen kunnen mecha­

nisch, pneumatisch, hydraulisch en elektrisch werken. Ze zijn

geschikt voor eenvoudige hanteerapparaten waarvan de positie's

door middel van aanslagen worden vastgelegd. Pas wanneer een

eindschakelaar van een voorgaande beweging geactiveerd is wordt

de volgende beweging uitgevoerd. Dit zijn weliswaar goedkope

besturingen maar ze zijn niet geschikt voor flexibele inzet

omdat men dan veel werk moet verrichten om ze om te

programmeren.

25

Bij de teach-in programmering kan men nog onderscheid maken

tussen direkte en indirekte teach-in. Van direkte teach-in is

sprake bij hanteerapparaten en van indirekte bij indus­

trierobots omdat daarbij de robot dient als meetsysteem. De uit

de wegmeetsystemen vastgestelde posities van de armen worden

opgeslagen. Echter bij komplexe baanproblemen moet men nog

extra informatie ingeven zoals, snelheid ,interpolatiefunktie.

Het voordeel van on-line programmeren is dat de beweging direkt

getest en zonodig gekorrigeerd kan worden.

Bij Volgorde-programmering wordt de baan op bepaalde tijd­

stippen zelfstandig afgetast en de coordinaten opgeslagen

Tekst-programmering vindt vooral bij montageopdrachten,

moeilijke toevoeropdrachten, paletteren en flexibele fabri­

cagecellen toepassing. Het programma is een leesbare tekst die

door het programmeersysteem in een voor de besturing leesbare

vorm wordt omgezet. Als voordeel heeft deze programmering dat

het programma voor de programmeur en toepasser leesbaar en

gemakkelijk te veranderen is.

Daarnaast zijn de waarden als variabelen af te beelden en kan

het programma off-line gemaakt, gedeeltelijk gekontroleerd en

getest worden. Nadeel ten opzichte van de Teach-in

programmering is dat de positie' s en snelheden gekodeerd moeten

worden.

3.4 Weqmeetsystemen (zgn. interne sensors)

Robot-systemen gebruiken vier klassen van interne sensors om

positie, snelheid, kracht en versnelling te melden. De

positiesensors hebben als taak de 1steposities van de armen te

bepalen en deze terug te melden aan de besturing. De besturing

bepaalt met deze signalen en de uit de microprocessor komende

waarden de regelacties die dan door de positieregelaar tot

stuurgrootheden worden verwerkt. De eisen die aan zulke

meetsystemen worden gesteld zijn de volgende;

26

-Ook bij grote snelheden en versnellingen moeten ze hun

funktie uitvoeren.-Grote betrouwbaarheid wat de informatieverzameling en

informatieoverdracht betreft.

-Geringe afmetingen en massa.De meetsytemen kan men onderverdelen in translatie jrotatie,

digitaaljanaloog en incrementeeljabsoluut.

Bij de keuze analoog-absoluut wordt bij voorkeur gewerkt metpotentiometers, resolvers en inductosynes. Bij de keuze

digitaal-absoluut gaat voorkeur uit naar kodeschijven.

3.5 Sensoren

Om tot een intelligente industrierobot te komen is het gebruik

van sensoren noodzakelijk omdat deze het mogelijk maken dat derobot signalen van zijn omgeving ontvangt en daarop reageert.

Op dit moment bestaan sensorsystemen waarmee j e de meeste

grootheden kunt meten mits je niet te snel moet meten.

Daarom is er nu een vraag naar sensorsystemen en niet naar

nieuwe sensors, en in het bijzonder naar de fusie van informtie

uit afzonderlijke of veelvoudige sensors. De hoeveelheden datadie nodig zijn bij een real time Robot hoofdbesturingssysteem

vragen naar een vergaande ontwikkeling van de sensorsystemen.

Er bestaan verschillende sensors voor steady state metingen ,

zoals druk, volumestroom, maar dynamische parameter schatting

en afleiden van informatie uit een reeks sensors is nog steedseen probleem.

De zes basis redenen waarom sensors in een werkcel gebruiktworden zijn;

1. Detectie van toestanden waarbij een operator gevaar loopt

door een robot of een ander fabricagewerktuig.

2. Detectie van toestanden waarbij een robot of een andere

machine gevaar loopt door een fabricagewerktuig.

27

3. Kontroleren van de werking van het productiesysteem om een

vaste produktkwaliteit te waarborgen.

4. Kontroleren van de werking van de werkcel om fouten te

detecteren en te analyseren.

5. Analyseren van onderdelen van de produktie om het huidige

niveau van de produktkwaliteit vast te stellen.

6. Kontroleren, waarnemen van delen van de produktie ter

verkrijging van identificatie-, locatie-, en orientatie­

data. Deze data kan dan weer worden gebruikt door andere

produktiesystemen in de werkcel.

De belangrijkste taken van de sensors binnen een produktie­

systeem zijn de volgendei

-controleren van de aanwezigheid van de werkstukken

-bepaling van de plaats en ligging van gelijke werkstuken

-onderscheid tussen verschillende werkstukken konstateren

-sorteren van bewegende delen

-doseren van krachten en momenten

-bewaking tegen botsingen

Tegenwoordig zijn er 3 groepen van sensors, nl kontakt-,

kontaktloze- en proces-sensors.

Kontakt sensors moeten daadwerkelijk een objekt aanraken

voordat ze geactiveerd worden. Ze zijn onder te verdelen in

eindschakelaars en tactiele sensors. Eindschakelaars worden al

jaren in de automatisering gebruikt, ze zijn betrouwbaar en

gemakkelijk in te passen in een automatische werkcel.

De eindschakelaar werkt op het principe van een mechanisch

bediende elektrische schakelaar. Ze worden vaak gebruikt voor

het detecteren van de beweging van onderdelen of van

draagblokken in een automatische werkcel.

Tactiele sensors detecteren krachten en momenten tussen grijper

en objekt. Men moet echter onderscheid maken tussen eenvoudig

aanraken tactiele detectie. Bij eenvoudige aanraking wordt

28

slechts op een of enkele punten van het grijperoppervlak

contact gemaakt met het objekt. Tactiele detectie vereist een

groep sensors gearrangeerd in een rechthoekig of vierkant

patroon (array). Ze zijn in verhouding goedkoop en maken

voorzichtig grlJpen mogelijk. Ze bepalen de krachten en

momenten aan de hand van de vervormingen van elastische

elementen en uit de meting van stromen en drukken in de

aandrijving. Dynamische krachten beinvloeden deze meetwaarden

echter.

Wanneer een tactiele sensor aan een intelligente computer wordt

gekoppeld is deze in staat de vorm, struktuur, positie,

orientatie, deformatie , massamiddelpunt en aanwezigheid van

moment of slip van het vastgehouden objekt te bepalen. Dit

wordt ook weI een kunstmatige huid genoemd.

Indien men via software de data komende van de kunstmatige huid

kombineert met de informatie van de optredende momenten aan de

assen zou men menselijke aanraking kunnen nabootsen.

Kontaktloze sensors worden geactiveerd voordat de sensor in

kontakt komt met het te detecteren objekt. Men kan ze onder­

verdelen in aanwezigheids-, benaderings- en visuele sensors.

Aanwezigheids- of benaderings-sensors leveren informatie over

de aanwezigheid, afstand, naderingssnelheid en objek­

teigenschappen(hellingshoek, oppervlakte gesteldheid etc.).

Zodra het obj ekt in het werkbereik komt zonder kontakt te

hebben met het objekt.

De werkingswijze berust op verschillende soorten zender/ont­

vangersystemen zoals microgolven, ultrasoon, zichtbaar licht,

infrarood, deformatie van elektrische en magnetische velden.

De aanwezigheid wordt geconstateerd via reflektie, de afstand

en de daarvan afgeleide grootheden via ruimtelijke relaties

tussen objekt en sensor. Bijvoorbeeld metingen van de looptijd

van elektromagnetische signalen uitvoeren.

De visuele sensors worden het meest voor werkstuk herkenning

gebruikt gevolgd door sorteerinrichtingen. Zij werken met

29

lineaire of vlakken opnamesystemen zoals camera's. Met de zoverkregen informatie wordt de besturing van de industrierobot

gevoed. Werkstukherkenningssystemen zijn meestal opgebouwd uiteen transportmodule, een belichtingsmodule, camera's, een

sensorsysteem en een hanteerapparaat.

Het meest ontwikkeld zijn de 2D-systemen die aIleen herken­

ningspunten liggend in een vlak kunnen detecteren. Door een

bepaalde keuze van de positie van waarnemen en belichten is het

mogelijk enige ruimtelijke kenmerken te herkennen.

De 3D-systemen maken het weI mogelijk om ruimtelijke kenmerken

van objekten te detecteren onafhankelijk van de positie vanwaaruit je het objekt bekijkt.

De mogelijkheden van de sensorsystemen worden op dit moment

beperkt door de haalbare rekensnelheden van de microprocessors.

Daarnaast beinvloedt ook de ligging van de objekten onderling

de detectie. Men kan aIleen 2 objekten die gelijktijdig in

beeld verschijnen en die gescheiden liggen detecteren. Wanneerverscheidene niet bewegende aan elkaar rakende objekten, 2 ofverscheidene bewegende objekten of opelkaar liggende objekten

gedetecteerd moeten worden levert dat moeilijkheden. Dit kanmen oplossen door er voor te zorgen dat de objekten van elkaar

gescheiden worden voordat ze aan de sensor worden toegevoerd.

Proces sensors zijn sensors die parameters binnen een fabri­

cage- of bewerkingsproces zelf observeren, dus parameters die

karakteristiek z1Jn voor het proces, zoals temperatuur,

oliedruk. Dit zijn meestal visuele indicatoren die door een

aanwez ige robot niet gebruikt kunnen worden om procestoestanden, die buiten de tolerantie vallen, bij te sturen.

In de meeste geautomatiseerde werkcellen dient de robotbe­

sturing als de algemene systeembesturing. AIle sensors en

discrete signalen worden aangesloten op de in/uitgang van de

besturing en het programma is zo ontworpen om deze go/no-go

30

signalen in de besturing van de werkcel mee te nemen.

In een vroeg stadium van ontwikkelingen bevinden zich de

audiosensor die commando's kunnen herkennen. Hiermee zou de

programmering sterk vereenvoudigen.

Werkcel systemen;

De trend van automatiseren heeft ervoor gezorgd dat ver­

schillende flexibele fabricage systemen (FMS) zijn ontwikkeld.

De resultaten van deze ontwikkelingen bleken niet altijd aan

de verwachtingen te voldoen. Daarom is er een lichte wending

aan de automatiserings-trend gegeven in de richting van auto­

matiseren maar met gelijktijdig integratie en simplificatie.

De aandacht is dus nu meer gericht op flexibele fabricage

cellen of werkcellen en deze worden ook meer toegepast. De

totale fabrieks automatiserings systemen zijn op dit moment

minder interessant, ze zijn op een laag pitje gezet.

31

3.6 mobiele robots

3.6.1 inleiding

De meeste industriele robots z1Jn op hun werkplaats bevestigd

en kunnen zich niet automatisch verplaatsen. Hun werkgebied is

beperkt tot het volume dat bereikt kan worden door de

robotarmen. Het werk moet daarom naar de robots toe worden

gebracht. Een mobiele robot daarentegen kan naar het werk

toegaan en kan onderdelen transporteren tussen robots die vast

staan opgesteld.

Het gebruik van mobiele robots is een lang gekoesterde droom.

Een van de eerste experimentele robots waren mobiel.

Tegenwoordig worden in universiteiten veel mobiele robots

gebruikt om de vision systemen, kunstmatige intelligentie en

speciale sensors verder te ontwikkelen. Hoewel deze experi­

menten hebben bijgedragen tot wat nu bekend is over de mobiele

robot heeft geen "universitaire robot" het geschept tot in de

industrie.

De eerste stap in de richting van mobiliteit was de gantry

robot die in 1975 door Olivetti werd geintroduceerd. Gantry

robots hebben zich die tijd sterk verbeterd en worden tegen­

woordig door meer dan de helft van de fabrikanten geleverd. De

gantry robot beweegt zich voort over rails en hangt boven de

fabrikage plaats. Omdat de gantry robot boven de werkplaats

hangt kan hij gemakkelijker de moeilijk bereikbare plaatsen

bereiken en is hij dus de ideale robot in een rommelige

omgeving. Tevens kan de gantry robot een veel groter gebied

bestrijken dan de conventionele industriele robots. Gantry

robots zijn echter nog niet mobiel genoeg in toepassingen die

om een grote mobiliteit vragen.

3.6.2 autonome robots

Het meest gewenste type van mobiele robots is de autonome

robot. Hij kan zich voortbewegen zonder een expliciet pad.

32

Er zijn slechts een paar autonome robots commercieel be­

schikbaar. Een model wordt gebouwd door cybermation (zie figuur

5). Deze robot is zeer geschikt voor industrieel gebruik.

-- ,--~

··~"e.::~.>,.I . .. ;

~,. \

4... ,,~..... ;:-;

FIGUUR 5, autonome robot

33

3.6.3 ontwerpoverwegingen

Onder ontwerpspecificaties van mobiele robots vallen zaken die

uniek zijn voor de mobiele robot ontwikkeling. Bijvoorbeeld

algemene mobiliteitsproblemen zoals aflopende vloeren,

deurdrempels en wielmerken op de vloer moeten opnieuw opgelost

worden.

Complete autonorne robots zlJn nog in een ontwerpstadium,

alhoewel de technieken die ontwikkeld worden in de buurt lijken

te komen van wat wordt gewenst door de verschillende

gebruikers. De tot nu toe ontwikkelde robots hebben onaccep­

tabele tekortkomingen wat hun algemene inzetbaarheid betreft.

Een mobiele robot heeft veel dezelfde kenmerken (manipulatoren,

vision systemen en speciale sensoren) als zijn vast verankerde

broertjes. Op zijn minst drie zaken maken hem uniek. De mobiele

robot heeft een bewegingssysteem nodig dat ervoor zorgt dat de

robot voortbeweegt, een stuurunit en misschien het meest

belangrijke een unit die bepaaldt waar de robot zich bevindt,

waar hij naartoe moet en die botsingen vermijdt.

Tegenstrijdige vereisten komen voor op aIle terreinen van het

robotontwerp. Voor wat de stabiliteit betreft is een laag

zwaartepunt van belang. De robot moet echter hoog genoeg zijn

om mogelijke obstakels, zoals deurdrempels en kabels, te kunnen

overwinnen. sturen houdt in dat de robot flexibel moet zijn

zodat hij ook in kleine ruimten kan draaien, maar ondanks dat

het ontwerp simpel wordt gehouden kan het gebeuren dat de

kosten, het gewicht en de betrouwbaarheid verslechteren. Enkele

fabrikanten vinden het belangrijk dat de robots om hun eigen

as kunnen draaien, dit houdt tevens in dat de robots

onvoorspelbaarder worden, hetgeen weer inhoudt dat de

werkplaats onveiliger wordt.

Een andere te overwegen factor is de aandrijfkracht. De robot

moet voldoende energie aan boord hebben om voor een bepaalde

tij d te kunnen werken. Langere werktij den houden tevens grotere

batterij-capaciteiten in hetgeen weer een groter gewicht

veroorzaakt.

34

Dit extra gewicht zorgt voor een groter traagheidsmoment,

hierdoor moeten de motoren dus weer grater worden uitgevoerd.

Een grotere capaciteit houdt tevens in dat er een langere

oplaadtijd nodig is. De robot is dus langer buiten bedrijf.

Hiermee moet in de ontwerpfase al rekening worden gehouden.

Deze overwegingen hebben geleid tot een voorontwerp voor een

mobiele robot dat bestaat uit drie delen.

Een basis die voor de mobiliteit zorgt, een middengedeelte dat

de intelligentie, besturing en sensoren verzorgt en tenslotte

een werkgedeelte dat de toepassingsgerichte functies verzorgt.

In de meeste mobiele robots wordt om het zwaartepunt laag te

houden de aandrijving, de stuurinrichting, de servo-besturing

en de energievoorziening in de basis ingebouwd.

In het middengedeelte komt de electronica, de sensoren en het

rekengedeelte. Het werkgedeelte kan geheel passief zijn, danwel

een arm bevatten die voor de interactie met de omgeving zorgt.

3.6.4 beweging

Beweging is het deelsysteem dat voor de mobiliteit zorgt.

Wielen, rupsbanden en benen kunnen gebruikt worden als

bewegingsmechanismen. In theorie zijn de keuzekriteria de

kosten, het benodigde vermogen, de verlangde bewegingskarak­

teristiek en het oppervlak waarover de robot zich moet bewegen.

In de praktijk bestaat de keuze echter altijd uit wielen, omdat

de benen zich nog in de experimentele fase bevinden. Wielen

voldoen goed indien het terrein vlak is, een eventuele helling

klein is en het terrein een goede tractie heeft.

In andere gevallen kan van sporen gebruik worden gemaakt, zij

zijn zeer geschikt voor off-de-road toepassingen.

35

robots op wielen

Robots hebben gewoonlijk 3 of 4 wielen alhoewel 6 of meer ook

mogelijk is. Sommige configuraties hebben zelfs sets van

dubbele wielen. Vier wielen bieden meer stabiliteit, meer

tractie(indien ze allemaal worden aangedreven). Drie wielen

hebben het voordeel dat de besturing eenvoudiger is en het

gewicht wordt verlaagd.

Grotere wielen kunnen gemakkelijker over kleinere objecten

rijden dan kleinere wielen. Grotere wielen hebben tevens als

nadeel dat het zwaartepunt omhoog verschuift, waardoor de

stabiliteit verminderd. Door deze stabiliteitsproblemen wordt

meestal voor kleine wielen gekozen.

Er zijn vele manieren om een wiel te besturen, te bevestigen

en te construeren. Figuur 6 geeft verschillende configuraties

weer.

•'tr"1~-

-..

• !&.- I

~

-

FIGUUR 6, verschillende wielcenfiguraties

Figuur 6a geeft de standaard configuratie weer. Hierbij worden

twee wielen aangedreven en het voorwiel verzorgt de besturing.

In figuur 6b worden aIle wielen aangedreven en bestuurd.

Carnegie Mellon's Pluto robot heeft twee wielen aan iedere

poet, zoals is weergegeven in figuur 6e.

In figuur 6d is Weinstein's benadering gegeven waarin drie

roterende wielen 1200 verdraaid zitten waardoor het mogelijk

wordt om trappen te beklimmen. De robot wordt normaal gesproken

36

ondersteund door twee van de wielen.

Een andere slimme Manier is weergeven in figuur Gc. Hierbij

zijn de wielen ten opzichte van de bodem verdraaid, waardoor

de stabiliteit beter wordt en de robot beter te besturen is.

Voor een drie-wiel-systeem is veel te zeggen. AIle wielen

rusten ten aIle tijden op de grond, hetgeen bij een voertuig

met vier wielen niet zeker is. Het is makkelijker te besturen

door een wiel te verdraaien in plaats van twee. Mede hierdoor

is het stuursysteem eenvoudiger. Tenslotte is er dan nog de

gewichtsbesparing die wordt gerealiseerd door het weglaten van

een wiele

robots op rubsbanden

Rubsbanden worden al jaren toegepast op tanks en buldozers.

De aandrijfwielen kunnen glad zijn of ribbels hebben. Sommige

wielen worden aar.gedreven anderen kunnen vrij roteren.

Deze laatsten worden idlers genoemd. Sommige idlers onder­

steunen het gewicht van de robot wanneer deze zich over

geaccidenteerd terrein voortbeweegt. Zij worden dan rollers

genoemd.

Figuur 7 geeft een uitvoeringsvorm weer.'~.

;;,.

FIGUUR 7, voertuig op rupsbanden

De afstand tussen de rubsbanden en de lengte van de rubsbanden

hebben beide invloed op de manoeuvreerbaarheid van de robot.

Voor een goede manoeuvreerbaarheid moet de afstand tussen de

banden 70% van de met de grond in contact zijnde lengte

bedragen.

37

Omdat de robots op rubsbanden lager zijn hebben zij meer

zichtproblemen dan robots op wielen.Ook kunnen zij meer schade veroorzaken aan de fabrieksvloer.

Alhoewel zij het gewicht over een groter oppervlak verdelen,

beschadigen zij eerder eventuele kabels op de vloer door ze

door te snijden. Het totale gewicht van een door rubsbanden

aangedreven robot is veel groter dan een robot met wielen en

het rendement van de aandrijving is vee1 slechter waardoor een

veel groter motorvermogen noodzakelijk wordt.

3.6.5 het sturen

Het bewegen en besturen zijn met elkaar verbonden. In vee1

uitvoeringen verzorgt hetzelfde wiel zowel de besturing als de

aandrijving. Er zijn op zijn minst zes verschillende

besturingsmogelijkheden.1) Het gebruiken van een bestuurbaar voorwiel met twee

aangedreven achterwielen.2) Het gebruiken van twee bestuurbare voorwielen, aan elkaar

gekoppeld of apart bestuurbaar.

3) Het gebruiken van twee bestuurbare voorwielen die tevens

aangedreven worden. De robot kan draaien om zijn as door het

linker wiel vooruit de laten draaien en het rechterwiel

achteruit te laten draaien.

4) Het principe volgens mogelijkheid 3, maar nu zonder

bestuurbare voorwielen.

5) Elk wiel wordt aangedreven en elk wiel wordt bestuurd.

6) Het gebruiken van twee aangedreven voorwielen en een

bestuurbaar achterwiel.

Het kiezen van een stuurmethode hangt af van het feit waarvoor

de robot gebruikt gaat worden en van de beschikbaarheid van

andere navigatiemethoden. Slipproblemen nemen bijvoorbeeld toe

wanneer het aangedreven wiel tevens voor de besturing moet

zorgen. Deze uitvoering is dus niet geschikt wanneer dead

reckoning gebruikt wordt, maar het is uitermate geschikt voorhet manoeuvreren in kleine ruimten.

38

Dead reckoning is een navigatie systeem dat de richting meet

waarin de robot beweegt. Tevens meet het de afstand die wordt

afgelegd en telt deze waarden op bij een gegeven startpunt.

De afgelegde weg wordt gemeten aan de hand van omwentelingen

van een wiele Op het moment dat dit wiel gaat slippen is de

waarde voor de afgelegde weg dus niet meer correct.

3.6.6 overwegingen m.b.t. de accu

Batteryen gebruiken verschillende materialen en electrolyten.

De beste combinatie van een licht-gewicht battery met een grote

capaciteit is de gelled cell. Gelled cellen hebben een gelatine

achtig electrolyt in plaats van een vloeistof. Zij kunnen vele

keren worden opgeladen en lekken geen corrosieve vloeistof of

giftige gassen.

Om het motor geluid uit het elektrische circuit te houden moet

het electronische/computer vermogen gescheiden worden van het

aandrijf/stuur vermogen. De beiden lasten hebben dus ieder huneigen battery nodig.

De capaciteit van de accu die nodig is voor het aandrijf/stuur

vermogen hangt af van het gemiddelde vermogen dat gevraagd

wordt door-de aandrijfmotor en de stuurmotor.

Ook dient rekening te worden gehouden met de omstandigheden

waaronder de battery haar werk moet gaan doen. Zoals onder­

staande figuur laat zien neemt de tijd dat een battery gebruikt

kan worden bij afnemende temperatuur af.

~.6 •voltage

~.6 :

o

Discnarge at 10% Caolcnv per Hour

·20oc ace :scc

~o

,jme l HourSI

FIGUUR 8, ontladingstijd afhanklijk van temperatuur.

39

Onderstaande figuur laat zien dat het voor de levensduur vaneen battery van groot belang is dat de battery niet helemaal

wordt opgebruikt gedurende een werkcyclus. Hiermee dient ook

rekening te worden gehouden bij het bepalen van de capaciteit'000'"van een battery.

::OOt

JOti

2lltlOT

II

:.J _.. 2.5~vaave

FIGUUR 9, batterykarakteristieken

3.6.7 stabiliteitsoverwegingen

stabiliteit van mobiele robots heeft betrekking op statische

en dynamische factoren. We onderscheiden draaistabiliteit en

stabiliteit die ontstaat bij het beklimmen danwel afdalen van

hellingen.

draaistabiliteit

Het snel draaien kan stabiliteitsproblemen veroorzaken. Zelfs

gedurende het draaien met een constante snelheid versneld de

robot vanwege zijn veranderende bewegingsrichting volgens

(1)formule 1

Hierin stelt V de snelheid voor en Rt de draairadius.

40

Omdat F=m*a geldt

(2) formule 2

Verder is er de zwaartekracht die zorgt voor een vertikaal naar

beneden gerichte kracht.Wanneer deze twee krachten vectorieel worden opgeteld ontstaat

de resulterende kracht. Dit is weergeven in onderstaande

figuur.

Cantriiugal~

Force \.. / I

ResultantForce

Force Dueto Gravity

FIGUUR 10, resulterende kracht

Deze kracht heeft twee effecten. Hij probeert de robot opzij

te duwen. nit wordt aIleen voorkomen door de wrijvingskracht

tussen de wielen en de vloer.

Het tweede effect is dat hij probeert de robot omver te duwen

wanneer de resulterende kracht buiten de stabiliteitsdriehoek

valt.

hellinqstabiliteit

Voor wat betreft stabiliteit kan de massa van de robot in een

punt geconcentreerd worden gedacht, het zwaartepunt. Hoe lager

het zwaartepunt hoe stabieler de robot.

41

Dus de zware delen als accu's en motoren kunnen het beste zo

laag mogelijk geplaatst worden.Onder statische condities moet een mobiele robot z~Jn ge­

wichtsvector binnen de driehoek houden die wordt gedefinieerd

door het zwaartepunt en de wielen van de robot. (zie figuur 11)

FIGUUR 11, hellingstabiliteit

Om ervoor te zorgen dat een robot niet tegen te steile

hellingen op gaat lopen moet er voor worden gezorgd dat de

robot is uitgerust met een unit die een te steile helling

detecteert. Een mogelij kheid is een switch-contact dat eenkring sluit wanneer de robot een steile helling opgaat. Een

andere mogelijkheid is het vergelijken van de motorspanning op

een vlakke bodem met die van het beklimmen van een helling. Bij

het beklimmen van een helling is namelijk een groter

aandrijfmoment noodzakelijk en dus een groter motorvermogen.

Het afdalen is een groter probleem. Tegen de tijd dat de robot

weet dat hij een steile helling afgaat kan het al te laat zijn.

Er zijn twee mogelijke oplossingen. De eerste betreft eenradarsysteem dat de grond voor de robot afzoekt en dus tijdig

een signaal kan geven. De tweede mogelijkheid betreft een klein

wieltje dat voor aan de robot bevestigd is. Op het moment dat

dit wieltje over een rand gaat geeft het een signaal door aande robot om te stoppen.

Een ander probleem ontstaat bij het vertragen of versnellen van

42

de robot terwijl hij op een helling staat.

Ondanks dat de statische situatie stabiel is hoeft dit niet

voor de dynamische situatie te gelden.

3.6.8 intelligentie

Twee gebieden van mobiele robot programmering zijn het

moeilijkste en vragen naar een vorm van intelligentie. Het

vermogen ombotsingen te vermijden en baanplanning.

het vermogen om botsingen te vermijden

Wanneer obstakels van te voren bekend z1Jn kunnen zij op een

kaart worden ingetekend en aan de robot worden doorgegeven.

Wanneer gebruik wordt gemaakt van deze methode is het niet

mogelijk om nieuwe gebieden binnen te gaan. Om aIle obstakels

te kunnen vermijden moet de robot zowel horizontaal als

vertikaal kunnen zien. Het vermogen om botsingen te vermijden

kan worden opgedeeld in het detecteren van obstakels en het

zoeken van een nieuwe weg door deze obstakels.

baanplanning

GLOBAAL

Er z1Jn twee typen van baanplanning noodzakelijk voor mobiele

robots: globale en lokale baanplanning. In globale baanplanning

is het primaire doeI een botsingsvrij pad te plannen. Globale

baanplanning kan van te voren worden gedaan. Bij lokale

baanplanning is het primaire doel om de beste weg te vinden

tussen onverwachte obstakels. Lokale baanplanning wordt dus

uitgevoerd als een reactie op een onverwachte gebeurtenis.

Bij globale baanplanning moet de robot bepalen waar hij zich

op dat moment bevindt en waar hij naar toe wile

Deze plaatsbepaling wordt normaal gesproken gedaan aan de hand

van een globale kaart van het gebied dat de robot in zijn

43

geheugen heeft.Is zijn plaats eenmaal bekend dan kan hij zijn baan uittekenen.

Wanneer er geen obstakels zijn is de baan rechtdoor, wanneer

er obstakels zijn zal de robot hier een weg tussendoor moeten

bepalen.Wanneer de baan bepaald is gaat de robot volgens het volgende

principe te werk.1) hij draait in de richting van het doel2) hij beweegt over een kleine afstand in de richting van het

doel.Deze afstand hangt af van de nauwkeurigheid van zijn kaart

en van de sensors.3) nadat deze afstand is overbrugd bepaaldt hij opnieuw zijn

positie en de positie van het doel, hij tekent zijn baan

uit rekening houdende met eventuele fouten die hij eerder

heeft gemaakt.

LOKAAL

Lokale baanplanning zorgt ervoor dat de beweging van de robot

aangepast wordt aan onverwachte obstakels. Lokale baanplanning

is over het algemeen accurater dan globale baanplanning, omdat

de beschikbare sensor-resolutie en kaart-resolutie een veel

kleiner gebied beslaan. Over het algemeen is het noodzakelijkdat deze preciezer zijn, omdat nauwkeurige bewegingen moetenworden gemaakt.

De taak is niet om de kortste weg naar een doel te vinden maar

om met een oplossing te komen voor een willekeurige versperring

van de weg. Daar de lokale baan altijd betrekkelijk kort is,

kan de eerst berekende baan gebruikt worden en hoeft deze niet

meer geoptimaliseerd te worden.

Wanneer de lokale baanplanner geen oplossing voor het probleem

heeft, omdat bijvoorbeeld iemand een deur heeft dichtgedaan,

speelt deze het door naar de globale baanplanner om te zien of

hij een oplossing voor het gestelde probleem heeft.

44

3.7 visue1e systemen

3.7.1 inleiding

Een accuraat en snel visueel systeem met een hoge resolutie kan

de veelzijdigheid, snelheid en nauwkeurigheid van de robot

sterkverbeteren. Bij het assembleren kan de robot bijvoorbeeld

de producten herkennen en positioneren en tijdens het

controlerenkijken of de vorige montages goed zijn uitgevoerd.

De eerste robots gebruikten hardware en geen visuele systemen.

Met andere woorden, onderdelen moesten precies worden

gepositioneerd. Een visueel systeem geeft de robot "ogen" zodat

hij de producten kan vinden. Er kunnen ook andere sensoren

worden toegepast(bijvoorbeeld contact sensoren), maar de

visuele sensoren zijn het meest doeltreffend.

Visuele systemen zorgen voor informatie die anders niet of

moeilijk te verkrijgen is. Hun werkgebied loopt van enkele

centimeters tot een tiental meters, met een smal of een heel

breed zicht.

Alhoewel enkele visuele systemen al zo'n 10 jaar beschikbaar

ZlJn, is het gebruik beperkt gebleven wegens hun hoge kosten

en beperkte gebruiksmogelijkheden. De experts verwachten echter

dat binnen een aantal jaren 25% van aIle robots gebruik zullen

maken van visuele systemen.

3.7.2 robot vision benaderingen

Visuele systemen zijn ontworpen om een of meerdere basisvragen

te beantwoorden.

45

Verschillende van deze vragen met de bijbehorende data-output

zijn weergeven in onderstaande tabel.

VRAAG

1) waar is het object?

2) wat is de grootte?

3) wat is het?

4) komt het langs de controle?

DATA-OUTPUT

X,Y,range

afmetingen

identificatie code

passeer-code

Het onder aIle omstandigheden een betrouwbaar antwoord geven

op deze vragen is lastig en is al j aren het onderwerp van

studie.

Om deze vragen te beantwoorden emuleren sommige visuele

systemen het visuele vermogen van de mens terwij I andere

algorithmen gebruiken. Om de verschillende benaderingen te

begrijpen splitse:n we de visueel taak in twee algemene stappen:

image acquisition en beeld analyse. Hierop komen wij later

terug.

Visuele systemen kunnen niet aIle verschillende data waarnemen

en verwerken vanwege het beperkte geheugen en de benodigde

rekentijd van de computer. Er moeten enkele compromissen worden

gemaakt. Andere problemen worden veroorzaakt door variatie in

licht, deeltjes grootte en begrenzingen van het dynamisch

bereik beschikbaar in visuele sensoren.

3.7.3 image aguisition

Bij image acquisition wordt een bepaald beeld verkregen en

direkt gedigitaliseerd. Alhoewel image acquisition primair een

hardware functie is kan software worden gebruikt om de

lichtintensiteit te verwerken, het openenjsluiten van de lens,

het focussen, de camerahoek bepalen, het synchroniseren, het

gezichtsveld bepalen en voor andere zaken.

Image acquisition heeft vier principiele elementen.

46

1) een lichtbron, (het verlichten van de omgeving)2) een lens om het gereflecteerde licht van het object te

focussen op een sensor. (optiek)3) een beeld sensor die het licht converteert naar een

electrisch beeld.(image formatie)4) electronica om het beeld van de sensor, na het te hebben

verwerkt uit te zenden naar een computer waar het verder kan

worden verwerkt.

ad 1) verlichting van de omgeving\

Wanneer het visuele systeem een beeld wil verkrijgen moet de

omgeving worden verlicht. Natuurlijke verlichting is over het

algemeen onvoldoende, hierdoor gebruiken de meeste systemenkunstmatige verlichting. Door gebruik te maken van kunstmatig

licht kunnen tevens gespecialiseerde technieken worden

gebruikt.

Onderstaande tabel geeft een tiental typen van belichting die

gebruikt kunnen worden.

BELICHTINGSRICHTING

voorkantdiffuusspiegelendgestructureerd

achterkantsilhouettransparantgecollimeerd

speciaallaserbundel splitserdeeltjes teller

reflector

FUNCTIE

het bepalen van beelden van het objecthet bepalen van oppervlakte foutenhet bepalen van de vorm

binaire signaal representatiehoofdkenmerkenhet veranderen van de licht­karakteristieken van het object

het object van een grid voorzienhet controleren van de lichtbaanhet onderbreken van de bundel omdeeltjes aan te gevenhet reflecteren van het licht wanneerde straal niet door een deeltje wordtonderbroken

De meeste systemen gebruiken zichtbaar licht. Onzichtbaar

47

licht, zoals infrarood en ultraviolet licht worden ook

gebruikt.Belichten van de voorkant zorgt voor het onderscheiden van

grijstinten en dus voor informatie over het oppervlak.

Belichten van de zijkant zorgt voor drie-dimensionale infor­matie. Belichten van de achterkant zorgt voor de minst complexe

data, omdat het de grijstinten elimineert en de camera voorziet

van een silhouet van het object.

AIle camera systemen moeten een lens hebben om het licht te

verzamelen en te focussen op de sensor.

Er zijn drie belangrijke punten die moeten worden meegenomen

bij het kiezen van een lens.

1) brandpuntsafstand

2) het vermogen om licht te verzamelen

3) de kwaliteit van de lens

ad 3+4) preprocessing

Preprocessing kan worden gedefinieerd als het manipuleren vandata voordat deze geanaliseerd worden.

Preprocessing kan worden gebruikt voor het verwijderen van

ruis, het digitaliseren van het analoge signaal, het selecteren

van een klein gedeelte van het beelden het verbeteren van het

contrast. De grootste bijdrage die wordt geleverd door

preprocessing is het verminderen van de hoeveelheid data en

bandbreedte. Onderstaande figuur laat de basisstappen zien die

nodig zijn voor het verwerken van een beeld.

--17i_

! 1:~I,...-,

-- r--- '--'I

:.-.~ o.-.!

-'

---I~ ,---,

j 5... 1 , 1

1"---' . T IL.-j ~

,. I : It.... I~ ~c....,

-----I

:r-:-:,=1:!--.J

FIGUUR 12, blok diagram

48

Aan de preprocessing kant (links) worden de data van de kamera

ingenomen, gedigitaliseerd en verder verwerkt voor het

herstellen van het beeld en wegwerken van de ruis. Er is nu een

compleet beeld van data verzameld, samengesteld en verzonden

naar de image-processor. Aan de rechterkant van de figuur neemt

de processor de data in en doorloopt vervolgens stappen zoals

beeld-segmentatie, parameterextractie en beeldherkenning. Deze

laatste stap wordt vaak gedaan met een van te voren opgeslagen

beeld. De juiste informatie wordt ten slotte naar een externe

besturing verzonden.

3.7.4 beeld analyse

Beeld analyse beoordeeld gedigitaliseerde beelden om een object

te lokaliseren en te herkennen. Verschillende benaderingen

kunnen worden gebruikt, maar de meeste technieken bevatten

segmentatie, parameter extractie en patroonherkenning.

Onderstaande figuur geeft een beeld van het beeld analyse

proces.

Het geeft de belangrijkste stappen weer met hierbij de

mogelijke methoden om iedere stap uit te voeren.

y

~.r'''''le'':Ilt"ellon -

y'

--------'---

","

49

FIGUUR 13, stappen in het

beeld analyse proces

seqmentatie

Voordat een systeem een object kan herkennen moet het object

worden afgescheiden van de achtergrond. oit proces wordt

segmentatie genoemd. Er kunnen verschillende methoden worden

gebruikt.

Een populaire methode is thresholding, omdat deze vrij snel is

en kan worden gebruikt in veel toepassingen. Thresholding slaat

op het feit dat een bepaalde intensiteit van het object moet

worden bereikt. Het systeem kleurt vervolgens het hele beeld

wit en de achtergrond zwart. Er ontstaat dus een binair beeld

waarin het object perfect kan worden gelokaliseerd.

Een tweede benadering is grensdetectie. Gewoonlijk worden er

twee typen algorithmen gebruikt, een voor grensdetectie en een

voor correlatie. Wanneer de grenzen van een obj ect kunnen

worden bepaald ligt tevens het object zelf vast. Voor het

bepalen van de grens zijn echter ingewikkelde berekeningen

vereist. Enkele typen van grens detectoren worden sterk

beinvloed door ruis. Ook geven zij slechte 3D-informatie, omdat

Z1) beperkt worden tot acht richtingen.

Een derde benadering is region growing. Hierbij worden punten

in groepen verdeeld in verschillende regionen, gebaseerd op

segmentatie.

Beweging kan ook gebruikt worden voor het segmenteren van het

beeld. Hierbij wordt het eerste beeld onderscheiden van het

tweede.

AIle overblijvende data moeten dan worden toegekend aan de

beweging.

parameter extractie

Parameter extractie identificeert belangrijke kenmerken die

gebruikt kunnen worden voor verdere verwerking. Onder kenmerken

kunnen worden verstaan: diameter, ell ips, aantal gaten , centrum

van het obj ect en de breedtejhoogte verhouding. Om deze

informatie te krijgen worden verschillende benaderingen

gebruikt. Een duidelijke methode is om een vertrouwd merkteken

50

te lokaliseren en dit te gebruiken om het hele onderdeel te

identificeren.

patroonherkenninq

De laatste stap in visuele robot systemen is patroonherkenning.

Hierbij wordt het verkregen beeld vergeleken met het van te

voren opgeslagen beeld en beslist of het verkreqen beeld

voldoet aan de gestelde eisen. Template matching is vooral dan

toepasbaar wanneer het systeem een kenmerk binnen een beeld

moet herkennen, zoals een snijpunt tussen twee lijnen. De

meeste template matching systemen zijn gebaseerd op een soort

beeld correlatie. Aan ieder kenmerk wordt een correlatiefactor

toegekend. Deze geeft aan in hoeverre het beeld voldoet aan het

model.

Een andere benadering is attribute matching. De onderdelen die

tijdens de parameter extractie werden gemeten, worden

vergeleken met de opgeslagen onderdelen. Het systeem gebruikt

functies als massamiddelpunt en aantal gaten om een besluit te

nemen.

De berekeningen zijn betrekkelijk eenvoudig en nemen dus minder

tijd in beslag dan de meeste andere berekeningen.

51

4. Rlassificatie van robots

4.1 Rlassificatie naar aantal graden van vrijheid

Het aantal varieert tussen 2 en 12 maar hier moet een opmerking

bij geplaatst worden. Er wordt onderscheid gemaakt tussen

graden van vrijheid en graden van beweging. De laatste

beschrijven die draaipunten(armen) die weliswaar extra graden

van vrijheid aan het systeem geven maar niet de graden van

vrijheid van het grijper-centerpunt veranderen. Men kan

bijvoorbeeld een extra draaipunt met arm toevoegen om een

hindernis in het bewegingsvlak te omzeilen, hierdoor krijgt het

grijper-centerpunt niet meer vrijheidsgraden maar weI meer

bewegingsvrijheid. Een andere reden voor het toevoegen van een

extra bewegingsvrijheidsgraad kan zijn om het werkgebied van

de robot te vergroten. Een robot kan meestal geen rotatie van

360 graden uitvoeren, door nu een extra rotatiepunt toe te

voegen wordt niet aIleen de bewegingsvrijheid vergroot maar

wordt ook de werkgrens van de robot verlegd, hij kan dan weI

een rotatie van 360 graden uitvoeren.

52

4.2 Klassificatie naar beweging van de robot

f?

/~'"

// ,

(.~. ...., .

:I/~'",r ///" •

:! // .r i// ~

~

van bewegingscontrole

slewing, interpolated,

)~ ........ Move2// .

// ',1/ 1'\'" ;,1

~~-:::.:::'~-.J

/ .... ­/,":'- .-,~.- _Move 1: i •, J

Kontrole van de beweging.

In het algemeen worden vier typen

gebruikt, nl sequential (volgorde) ,

straight-line.

Zie figuur 14

SeQuential Move Slew Move

Intercolated MoveStralgnt Lme Move

,Precise Patn C.JntrOI)

FIGUUR 14

Sequential- en slewingcontrole worden bij niet-servo-gestuurde

robots gebruikt. Bij sequential worden de bewegingen in

vaststaande volgorde na elkaar uitgevoerd. Hier vinden dus geen

gecombineerde bewegingen van meerdere assen plaats waardoor de

bewegingstijd niet optimaal is. Bij slewing starten aIle assen

gelijktijdig met bewegen maar is er geen zekerheid dat ze ook

allemaal gelijktijdig stoppen omdat er geen controle over de

snelheden is. De gevolgde baan van de robot naar zijn

eindpositie is ook niet gedefinieerd.

53

Slewingcontrole is de snelst mogelijke manier van robot

beweging omdat alle assen met maximum snelheid bewegen.

Als toepassing voor deze controle moet men denken aan situaties

waar geen grote eisen aan de nauwkeurigheid van bewegen worden

gesteld en waar geen gevaar van botsingen bestaat.

Indien de robot servo-gestuurd is worden interpolated-en

straight-line controle toegepast. Interpolated controle zorgt

ervoor dat de assen gelijktijdig starten en stoppen waardoor

men een grotere controle over de totale beweging heeft.

Straight-line controle is iets langzamer dan interpolated omdat

steeds de beweging van de robot gekontroleerd wordt om er voor

te zorgen dat de robot ook volgens de voorgeschreven baan

beweegt.Hierdoor is straight-line controle uitermate geschikt

voor zeer nauwkeurige opdrachten.

Robot co6rdinaat systemen.

We onderscheiden kartesische, cilindrische, spherische

revolute robots. Z~e figuur 15: Robot ko6rdinatensysteem.

~0zi ~ D: :>I~: I ~

en

Caneslan Coordinates

Il~~

~"'V

!0)z~·. 'II' I~~ II !

,~lli 11 ~&l. f1 I i \

~Sonerrcal CoorOlnates

54

Cylindrical Coordinates

~/CI

',/ /f':»// / \Il:

/j / /~ , / / / ""-,f

"'"

o~ReVOlute

Wanneer de robot 3 translerende armen heeft dan spreek je van

carthesische robots. Dit soort robots zijn geschikt voor grote

horizontale verplaatsingen, zijn gemakkelijk te programmeren,

hebben de grootste herhaalbaarheid en hebben een goed

draagvermogen (payload, lift capacity). Zie figuur 16.I ...-~~

FIGUUR16, carthetischerobot

Cilindrische robots hebben 1 roterende en 2 translerende armen

waardoor een cilindrisch werkgebied ontstaat. Ze worden vaak

toegepast bij pick-and-place robots. Dit type robot is

gemakkelijk te programmeren, heeft een goed draagvermogen en

kan bij moeilijke (nauwe) posities komen.

Spherische robots bezitten 1 translerende en 2 roterende

schakels en de beweging wordt beschreven door middel van twee

hoeken en een z-coordinaat. De meeste spherische robots hebben

een betere liftcapaciteit (hefvermogen) en zijn gemakkelijker

te ontwerpen dan revolute robots. Ze zijn heel goed geschikt

voor het laden en lossen van machinewerktuigen, hebben een goed

werkbereik, maar hun vertikale beweging is beperkt. Scara

robots behoren ook tot deze klasse, een tweede type van Scara

is een hybride waarvan de beweging van de z-as in karthesische

coordinaten wordt uitgevoerd. Scara robots worden gebruikt in

eenvoudige assemblage handelingen zoals het plaatsen van

componenten op printplaatjes. Zie figuur 17.

55

FIGUUR 17 , spherische robot

Een revolute robot bezit aIleen roterende schakels en is het

meest flexibel van aIle typen robots, daarom is dit type ook

20 populair. Zie figuur 18.

I -?araile l

--::""__ .} • IL.lnKag e ....

\

FIGUUR18 , revolute robot

56

armbewegingen

taken zoals

De parallelverbinding tussen de basis en bovenarm maakt het

mogelijk om zowel de schouder- als de elleboogschakel beweging

direkt te besturen door middel van motors die in de basis zijn

geplaatst. Hierdoor verplaatst men het motorgewicht van de

elleboogschakel naar de basis. Daarnaast maakt zoln verbinding

een compacte bouw mogelijk zodat de robot minder ruimte beslaat

in zijn werkgebied. Doordat de robot door deze

parallelverbinding stijver wordt en ook een lager

onderarmgewicht bezit kun je het grijper-centerpunt sneller en

nauwkeuriger verplaatsen. De meeste revolute robots hebben een

gekombineerde beweging van de assen. De nadelen van een

revolute robot zijn de volgende;

- Een vermindering van hefvermogen bij gestrekte stand van

de armen, dus op de grens van zijn werkbereik.

- De benodigde computerbesturing die als gevolg van het

gebruikte koordinatensysteem en de noodzaak van

gekombineerde beweging van de assen ingewikkelder wordt.

Elk type robot heeft zlJn eigen voordelen; de carthesische

robot heeft de beste herhaalnauwkeurigheid en is het beste te

programmeren. Cylindrische robots zijn ook gemakkelijk te

programmeren en kennen een goed hefvermogen. Zowel de sphe­

rische als de revolute robot blinken uit in hun werkbereik en

hun flexibiliteit van hun reikvermogen.

De revolute robot kan ook redelijk de menselijke

nabootsen zodat hij gemakkelijker bepaalde

verfspuiten aangeleerd kan worden.

4.3 Klassificatie naar intelligentie

Men onderscheidt zeven niveaus van intelligentie, waarvan er

zes in de handel verkrijgbaar zijn.

1. Robots die volledig met de hand worden bestuurd(bijv.

onderwater zoeken naar wrakken).

2. Niet-programmeerbare robots (bijv. hard automation systems)

3. Robots die leren d.m.v. een leermode(bijv. verfspuit robot)

57

4. Robots die fouten detecteren en dan stoppen (meeste industrie

robots) .5. Robots die nieuwe commando's accepteren als ze on-line

werken (workcel-type).6. Robots die een verandering in de omgeving detecteren en

daarop hun oorspronkelijke baan aanpassen, bijstellen.

(robots met visuele sensoren).7. robots die van fouten leren (experimentele fase).

In de meeste toepassingen fungeert de operator als trainer,

waarnemer, Qpzichter, of bestuurder. Er zijn tegenwoordig ook

toepassing waar de mens samenwerkt met de robot als partner,

bijvoorbeeld aan een assemblagelijn.

4.4 Klassificatie naar toepassingsgebied.

De toepassingsgebieden van robots zijn zo talrijk dat het

onmogelijk is om deze allemaal op te sommen, daarbij komt nog

dat deze elke dag toenemen door nieuwe ontwikkelingen op dit

gebied. Toch bespreken we enkele toepassingsgebieden, nl;

Hanteren van onderdelen, te denken valt aan palletisering,verpakken. Dit is een van de eerste toepassingsgebeiden van derobot. De robot verplaatst een objekt van de ene positie naar

de andere. Hij kan gebruikt worden voor het laden en het lossen

van produkten, en ondersteunt de werkplek zonder dat hij echt

een bewerking op de produkten uitvoert. Meestal z ij n deze

robots van het pick-and-place type, zodat ze weinig

nauwkeurigheid en intelligentie nodig hebben. Maar ook in ditgebied worden visuelesystemen aan de robot toegevoegd voorkomplexere opdrachten.

Bewerken van onderdelen, boren, snijden, lassen.Het bewerken komt van oorsprong af van de numerieke bestu­

ringstoepassingen. Dit type robot wordt gekarakteriseerd door

het gebruik van speciale gereedschappen (grijpers), hoge

nauwkeurigheidseisen en in vele gevallen door het gebruik van

58

speciale sensors die de robot helpen bij het lokaliseren van

de positie waar de bewerking dient plaats te vinden.

De ontwikkeling van het snijden neemt steeds meer toe,

tegenwoordig worden watersnijden en lasersnijden toegepast.

Zelfs bij boorbewerkingen worden visuele systemen toegepast om

een merkteken te vinden of om de robot ten opzichte van het

werkstuk uit te lijnen.

Assembleren van onderdelen. Dit is het natuurlijke

toepassingsgebied van de robots, het oppakken van onderdelen

en neerzetten van de onderdelen bijvoorbeeld op een printplaat.

Dit type robot staat op de laagste schaal van de robots, zij

bezitten een redelijke nauwkeurigheid maar hebben geen hoge

intelligentie of visuele systemen. Tot dit gebeid behoren ook

taken als labeling en bevestigen van onderdelen.

Kwaliteitskontrole, meten, visuele inspectie, testen.

De taken varieren van het simpele detecteren van een etiket op

een fles tot het controleren van de soldeerverbinding op een

printplaat op het ontbreken van soldeer, het slecht gesoldeerd

zijn en het teveel gesoldeerd zijn. Karakteristiek voor de

meeste kwaliteitscontrole robots is de intelligentie. Deze

intelligentie uit zich in hun sensors (visuele systemen), hun

vermogen tot het nemen van beslissingen(dit produkt is goed,

dat moet verwijderd worden) en hun vermogen om trends te

detecteren, bijvoorbeeld de slijtage van een boor.

Economisch gebruik

Door de steeds snellere ontwikkeling van werktuigmachines die

grote prestaties moeten leveren ontstaat de vraag naar vergaand

geautomatiseerde en geoptimaliseerde werkstukhantering, zodat

de produktiviteit van de machines stijgt en onproduktieve

leeglooptijd gereduceerd kan worden. Een oplossing hiervoor is

de inzet van moderne industrierobots. Naast zijn eigenlijke

taak bijvoorbeeld bij een hanteerrobot die een machine moet

59

laden en lossen kan de industrierobot tijdens het fabriceren

van de machine talrijke produktieve nevenfuncties uitvoeren

zoals;

-nabewerken en reinigen van werkstukken

-meten en klassificeren van de werkstukken

-draaien en positioneren van de werkstukken

-continue en snelle werkstukverwerking

Door de uitvoering van deze nevenfuncties bereikt men een

optimale economische benutting van de robot.

60

,

5 UITVOERINGSVORMEN

5.1 CRITERIA

Er zijn 3 fundamenteel verschillende uitvoeringsvormen.

1) de portaalrobot

2) de SCARA-robot

3) de universele robot

ad 1) Dit type robot wordt veel gebruikt als een 3- of 4-assige

robot. Hij kan met een hoge nauwkeurigheid gebouwd

worden, heeft eenvoudige regelfuncties en kan gemakkelijk

aangepast worden aan zijn omgeving. Hij is zeer geschikt

voor de assemblage van kleinere producten.

ad 2) Dit type is ontwikkeld voor 3 of 4 graden van vrijheid.

Hij kan snel producten assembleren in het horizontale

vlaken is dus geschikt voor het assembleren van grote

aantallen producten.

ad 3) Dit type is oorspronkelijk ontworpen voor toepasingen als

lassen. Hij is heel universel, maar heeft een viertal

belangrijke nadelen wanneer hij voor asssemblage wordt

gebruikt. Door het complexe ontwerp en moeilijke

regelgangen is het lastig om een voldoende grote

nauwkeurigheid te bereiken. De beperkte versnellingen bij

het gebruik van grote massa's. Het bereik is groot, maar

het vertikale bereik wordt vaak niet gebruikt bij het

assembleren van kleinere producten. De draaibeweging van

de basis zorgt voor een slechte cellay-out, hetgeen de

cyclustijd vertraagd.

Van elke uitvoeringsvorm hebben we hieronder een aantal

voorbeelden opgenomen. De universele robots voldoen aan onze

specificaties van:

1) payload 10 kg

2) bereik 1.5 meter

3) maximale rotatie van as 1 (voet): 270 graden

61

4) minimale snelheid as 1: 60 graden/seconde

5) herhaalnaukeurigheid: plus/min 0.1 mID

ad 1) we willen productonderdelen van maximaal 7 kg hanteren.

ad 2) we komen tot een bereik van 1.5 meter door het schatten

van de afmetingen van het langstransport, de pallet en

van het VTS.ad 3) de robot moet met de 1ste as kunnen draaien van de 1ste

presenteerplaats naar de 2~ fixeerplaats.

ad 4) uit de rapport van de Laat en de Rooy voIgt dat derotatie van de basisas over 180graden binnen 3 seconden

moet kunnen plaatsvinden.ad 5) wij hebben gekozen voor een herhaalnauwkeurigheid van 0.1

mID, omdat dit op het moment de grenswaarde is waaraan demeeste robots kunnen voldoen. Natuurl ij k gaat de voorkeur

uit naar een zo groot mogelijke herhaalnauwkeurigheid.

5.2 intermezzo

Het effect van snelheid en hefvermogen op de herhaalnauwkeu­

righeid

Het gebruik van robots in de industrie wordt steeds belang­

rijker. Hierdoor is het noodzakelijk geworden dat betere

ontwerpmethoden worden ontwikkeld. In een poging om tot betere

prestaties te komen door design, worden de robots ontwikkeld

naar het voorbeeld van de menselijke arm. De robots krijgensteeds meer graden van vrijheid. Een nadeel van deze

ontwikkeling is dat de herhaalnauwkeurigheid steeds slechter

wordt bij toename van het aantal graden van vrijheid.De cyclustijd, het hefvermogen en de nauwkeurigheid nemen

eveneens af bij toenemende graden van vrijheid. Dit komt door

toename van het aantal interpolaties dat moet worden gemaakt

bij een toename van het aantal vrijheidsgraden.

Het probleem van de herhaalnauwkeurigheid is in de loop van de

tijd door de ontwerpers op een geheel eigen wijze aangepakt,

62

afhankelijk van hun eigen achtergrond. Zo lijkt een robot

ontworpen door een ontwerper van gereedschapswerktuigen meer

op een gereedschapswerktuig. Zij zijn meestal zwaar, relatief

nauwkeurig en kunnen een grote last verplaatsen. Robots die

door material handling designers zijn ontworpen hebben echter

herhaalnauwkeurigheid als kenmerk.

Specificaties van robots worden vaak verkregen uit folders van

de fabrikant, maar het probleem bij het gebruik van deze

waarden is dat de gebruiker niet weet onder welke voorwaarden

deze houdbaar zijn. Zulke verwarring komt uit het feit dat er

nog geen duidelijke standaards zijn. Het is daarom noodzakelijk

om de interactie te onderzoeken tussen de verschillende robot­

procesvariabelen en te bepalen onder welke condities deze

waarden gelden. Zoln model zal uiteindelijk leiden tot een

beter ontwerp en gebruik van industriele robots.

Onderstaande proeven zijn uitgevoerd op een Unimation PUMA 560

robot.

De robot moet steeds met verschillende hanteermassals en

verschillende snelheden en baan doorlopen.Met behulp van een

digitizing table wordt de herhaalonnauwkeurigheid bepaald.

Aan de hand van deze waarden wordt dan het effect van de

snelneid en de hanteermasa bepaald op de herhaalonnauwkeu­righeid.

1) het effect van snelheid op de herhaalnauwkeurigheid

Reoeatability (ins,)0.04,....,------------------

Ii

iiII0 ....' --'-__----l. _

o 20 40 SO 80 100 120Soeeca ('!!o'

0.02 ~- --

I0.01 r-

0.03~

- N.iont 0

- w••ont:l

- w.io/lt 2

FIGUUR 19, effect van snelheid op de herhaalnauwkeurigheid

63

uit bovenstaande figuur bIijkt dat de herhaalnauwkeurigheid in

het algemeen afneemt bij toenemende snelheden. Ook bIijkt de

herhaalnauwkeurigheid bij een gewicht van 0.45 kg beter te zijn

dan bij een gewicht van 0 kg. Het is echter niet zo dat een

groter gewicht automatisch Ieidt tot een betere

herhaalnauwkeurigheid.

2)het effect van hefvermogen 00 de herhaalnauwkeurigheid

0.0&;.;:-=-:::;.;.,·,;::-..=----------

::;~-----_eo2 3

_UIIOJ----_ ..-_eo-_eo0------------o

FIGUUR 20, effect van hefvermogen op de herhaalnaukeurigheid

Het verband tussen hefvermogen en herhaalnauwkeurigheid is

duideIijker dan het verband tussen snelheid en herhaalnauw­

keurigheid. Uit figuur 21 voIgt dat de herhaalnauwkeurigheid

afneemt bij toenemende hefvermogens. In vergeIijking met de

snelheid is hier een duideIijker verschil te bespeuren.

•

10

0.003

0._

0.015

0.010

50

..aD (Ofo)

FIGUUR 21, gecombineerde effect op de herhaalnauwkeurigheid

3)het gecombineerde effect van snelheid en hefvermogen op de

herhaalnauwkeurigheid.

Repeatability (ins.)

O'_j0.043

I0.0-10.0·10._

64

Het gecombineerde effect van snelheid en hefvermogen is

weergeven in figuur 21. Het laat duidelijk de afname van de

herhaalnauwkeurigheid zien bij toenemende snelheid en hef­

vermogen.

De door de fabrikant opgegeven herhaalnauwkeurigheid (0.004

ins.) wordt gehaald bij een snelheid 70% van de topwaarde en

wanneer geen gewichten worden gedragen.

De beste resultaten worden verkregen bij een snelheid op 20%

of op 90% van de topwaarde en bij het dragen van geen ge­

wichten.

conclusie

Naarmate de snelheid en het hefvermogen toenemen, neemt de

herhalingsnauwkeurigheid af. Het is dus zeker niet zo dat

altijd de snelste robot moet worden gekozen. Zeker voor

hanteerwerkzaamheden zou het dan kunnen zijn dat een zo grote

uitval ontstaat, waardoor de uiteindelijke kosten groter

uitvallen dan wanneer men een langzame robot had gekozen met

een grote herhaalnauwkeurigheid.

De conclusie uit deze resultaten kan dus zijn dat om een

gegeven prestatie niveau te bereiken de gebruiker per robot

moet bepalen wat de optimale condities zijn. AIleen op deze

manier kan men er zeker van zijn dat de robot een constante

kwaliteit aflevert.

65

:6: +/-150° /105°/s:+/-45° / 105°/s:+45/-30° 105°/s:+/-180° /2400/s:+/-120° /2400/s:+/-185° /4000/s

5.3 alternatieven

BASISUITYOERINGSVORM 1

hitachi: H6100kenmerken: rotatie in derde schakel is verplaatst

revolving joint (knikarmrobot).gegevens: aantal assen

max.rotatie/max.snelheid as 1max.rotatie/max.snelheid as 2max.rotatie/max.snelheid as 3max.rotatie/max.snelheid as 4max.rotatie/max.snelheid as 5max.rotatie/max.snelheid as 6

herhalingsnauwkeurigheid: <= 0.1 mmpayload: 10 kgeigengewicht: 410 kg

- ~- .. ,.,. ~~ -,-~ <'"' ......._-

naar

Wide variety of optionsand all operations

at a programming unitp

..•

FIGUUR 22

66

Yaskawa Motoman: K lOs

1200/s1200/s1200/s263°/s4000/s263°/s

:6: 340° /: 240° /: 275° /: 270° /: 400° /: 360° /

kenmerken: rotatie in derde schakel is verplaatst naarrevolving joint (knikarmrobot).

gegevens: aantal assenmax.rotatie/max.snelheid as 1max.rotatie/max.snelheid as 2max.rotatie/max.snelheid as 3max.rotatie/max.snelheid as 4max.rotatie/max.snelheid as 5max.rotatie/max.snelheid as 6

herhalingsnauwkeurigheid: <= 0.1 mmpayload: 10 kgbereik: 1555 mmeigengewicht: ? kg

FIGUUR 23

67

oloos: romat 76 sw

kenmerken: revolving jointsgegevens: aantal assen

max. rotatie/max. snelheidmax. rotatie/max. snelheidmax. rotatie/max. snelheidmax. rotatie/max. snelheidmax.rotatie/max.snelheidmax. rotatie/max. snelheid

herhalingsnauwkeurigheid: <= 0.1 mmpayload: 10 kgbereik: 2000 mmeigengewicht: 240 kg

: 6as 1 : 450° / 148°/sas 2 : 220° / 1300/sas 3 : 270° / 165°/sas 4 : 350° / 2500/sas 5 : 200° / 2500/sas 6 : 450° / 2400/s

I1'l0 200

I

I,:---~ -

~c

03080

04002

FIGUUR 24

/

i ,\- - - - -I - - i »'-~--->....\ ,~~. I ~I

\ I I

\ I I, I I

'" I I""I __ :

/

68

ABB (ABEA, BROWN, BOVERY): IRB 2000

Kenmerken: rotatie in derde schakel is verplaatst naarrevolving joint (knikarmrobot).

gegevens: aantal assen :6max.rotatie/max.snelheid as 1 :+/-179° / 115°/smax.rotatie/max.snelheid as 2 :+1000 /1100/115°/smax.rotatie/max.snelheid as 3 :+/-60° / 115°/smax.rotatie/max.snelheid as 4 :+/-200° / 2400/smax.rotatie/max.snelheid as 5 :+/-120° / 3000/smax.rotatie/max.snelheid as 6 :+/-200° / 3000/s

herhalingsnauwkeurigheid: <= 0.1 rompayload: 10 kgbereik: 1542 romeigengewicht: 350 kg

a 534 850 950 1542 2292

15851460

i

'i, I

750!! I

01

The worKing range snown is the envelooe of point P movement.

\

\\

\\

I/

iI

/

1284

o

.234

69

FIGUUR 25

Panasonic: pana robo AW-8010

kenmerken: rotatie in derde schakel is verplaatst naarrevolving joint (knikarmrobot).

gegevens: aantal assen :6max.rotatie/max.snelheid as 1 :+/-180° /1500/smax. rotatie/max. snelheid as 2 :+1500/-900 /1500/smax. rotatie/max. snelheid as 3 : +60/-70° / 1500/smax.rotatie/max.snelheid as 4 :+/-200° / 2600/smax.rotatie/max.snelheid as 5 :+/-140° / 2600/smax.rotatie/max.snelheid as 6 :+/-185° / 4000/s

herhalingsnauwkeurigheid: <= 0.1 rompayload: 10 kgbereik: 1613 romeigengewicht: 350 kg

Werkbereik bovenaanzicht

i!

70

Werkbereik zij-aanzicht

tel,.....I\\\

)

FIGUUR 26

BASISUITVOERINGSVORM 2

hitachi: scara robot A4030

kenmerken: grate reikwijdtegegevens: aantal assen

max.translatie/max.snelheid xmax.translatie/max.snelheid ymax.translatie/max.snelheid zmax.rotatie/max.snelheid as 4max.rotatie/max.snelheid as 5max.rotatie/max.snelheid as 6

herhalingsnauwkeurigheid: <= 0.05 mmpayload: 3-10 kgbereik: ?eigengewicht: 87 kg

:4: 519 mm/1500mm/s:519mm/ 1500mm/s: 200 mm/250 mm/s: 200° /1800/s

40 , 400 400 140

I

!gl;:II

,

tA

Long-reachingoperation space to

assembly medium- andheavy weight parts

FIGUUR 27

-------------- 71

BASISUIVOERINGSVORM 3

ABB (ASEA, BROWN, BOVERI) :IRB 8000

kenmerken: portaal robotgegevens: aantal assen

max.translatie/max.snelheid as 1max.translatie/max.snelheid as 2max.translatie/max.snelheid as 3max.rotatie/max.snelheid as 4max.rotatie/max.snelheid as 5max.rotatie/max.snelheid as 6

herhalingsnauwkeurigheid: <= 0.3 rompayload: 50 kgeigengewicht: ?

: 4: 2 m / 1. 3 m/s:2 m / 1.66 m/s: 1 m / 1. 25 m/ s: +/-260° /1800/s:/:/

FIGUUR28

72

6. TOEKOHST

Tegenwoordig hebben industriele robots veel

toepassingsmogelijkheden. Als voorbeelden kunnen worden genoemd

lassen, assembleren, hanteren en verfspuiten. De robots worden

tegenwoordig het meest gebruikt voor het puntlassen. Dit is

vooral te wijten aan het gebruik in de automobielindustrie. Het

gebruik van robots bij het puntlassen lijkt echter te

verzadigen. De voorspellingen wijzen erop dat spoedig de meeste

industrielerobots gebruikt zullen worden bij de assemblage.

Veel van deze assemblage operaties zullen in de toekomst op

meer betrekking hebben dan aIleen enkelvoudige,onafhankelijk

bestuurde robots die afhankelijk van hun omgeving een bepaalde

taak verrichten. waarschijnlijker is dat groepen robots in

samenwerking met hun omgeving, hieronder vallen zaken zoals

draagblokken,sensoren en buffers, een manufacturing cell gaan

vormen voor de productie van meer complexere producten.

Robots zullen in de toekomst ongetwijfeld een steeds belang­

rijkere rol gaan spelen in ons leven op een manier die we net

beginnen te begrijpen en waarderen. Enkele voorbeelden hiervan

zijn brandbestrijding, het schoon maken van de scheepswand, het

verven van bruggen, het maaien van gezonnen en het werken in

de mijnen.

In de toekomst zullen deze robots niet gebruik maken van 1

enkele grijper, maar van een heel scala van grijpers waardoor

de toepassingsmogelijkheden van 1 enkele robot nog zal worden

vergroot. Ook zullen zij worden uitgerust met verschillende

soorten sensoren en snellere microprocessoren waardoor de

informatie wordt verwerkt met een snelheid waarvan vandaag de

dag nog slechts kan worden gedroomd. Voordat de robot echter

de gehele productiviteit kan overnemen moeten nog enkele

technische problemen worden opgelost.

73

6.1 Japan

Tegenwoordig Zl]n het de Japanners die de voordelen van de

robot het beste uitbuiten. Dit is in grote mate te wijten aan

de bemoeienissen van de overheid. In het midden van de jaren

60 begon de Japanse industrie en de overheid de grote

productiviteit van de robots en andere vormen van automati­

sering in te zien en te waarderen. In 1975 maakte het Japanse

Ministerie van Internationale Handel de robot-industrie tot een

van de speerpunten in hun beleid.

Intensieve programma I s werden opgezet om de Japanse robot­

fabrikanten te helpen en om het gebruik van de robots in de

industrie te bevorderen. Deze programma I s betroffen zowel

financiele steun als ontwikkelingsprojecten en

belastingvoordelen.

Er werd dus een gunstig klimaat geschapen, waardoor de

robottechnologie zich kon ontwikkelen tot wat hij nu is.

Een voorbeeld dat goed de huidige technologie weergeeft is de

WABOT-2, een piano-spelende robot (zie figuur 19).

~

\i'

~I.1

iii·" ---:....."

-r...

·····sfA':

-

74

FIGUUR 29, WABOT-2

Door zowel zijn armen als z1Jn benen te gebruiken kan hij gaan

zitten aan een piano en een stuk gaan spelen. Hij kan een

liedje kiezen uit zijn eigen repertoire of hij kan de noten

lezen die hem op een stukje papier zijn voorgelegd. Hij kan

zelfs liedjes herkennen wanneer die voor hem gezongen worden.

Hij kan dus de zanger begeleiden zonder een noot te missen.

6.2 onderzoeksgebieden

6.2.1 sensoren

Een van de meest belangrijke onderwerpen waarop research moet

worden verricht is het gebied van de sensoren. Dit betreft het

integreren van zowel visuele als tastbare informatie om op die

manier de robots in staat te stellen ook de meer ingewikkelde

taken te vervullen. Enkele voorbeelden hiervan zijn het wassen

van ramen, het assembleren van twee onderdelen met een

nauwkeurige tolerantie en het automatisch manoeuvreren rond

obstakels.

Er moet een voldoende contrastrijk beeld zijn zodat de sensoren

de overgang kunnen herkennen. Dit is ook de reden waarom

optische sensoren tot nu toe weinig toepassing hebben gevonden

in de industrie. Wanneer producten over een van onder belichte

glasplaat worden gevoerd mag deze glasplaat een beperkt

bevuilingsgraad hebben. Deze is echter zo klein dat deze

methode geen industriele toepassing kan vinden. Op dit gebied

zijn in de toekomst grote vooruitgangen te verwachten.

De research naar sensoren moet zich op 3 gebieden gaan

toeleggen.

Ten eerste moet er onderzoek worden gedaan naar de verschil­

lende mogelijke uitvoeringsvormen van de sensoren, zodat deze

breder toepasbaar worden.

Ten tweede moet de resolutie van zowel de interne als de

externe sensor verbeterd worden. Dit zal de herhalingsnauw­

keurigheid en de inspectiekosten ten goede komen. De inspec­

tiekosten zullen minder worden omdat de controle nu tijdens het

75

proces kan plaatsvinden.

Ten derde kan door het verminderen van de grootte en kosten en

het vermeerderen van de snelheid het gebruik in robots

aantrekkelijker worden gemaakt.

6.2.2 materialen

Verder moet het onderzoek naar nieuwe materialen worden

voortgezet om de gewicht/last ratio van de robot te vermin­

deren. De meeste mensen kunnen namelijk gemakkelijk 50% van hun

eigengewicht tillen, robots kunnen ongeveer 10% van hun

eigengewicht tillen. De gemiddelde robot gebruikt een groot

deel van zijn vermogen om de armen te verplaatsen. Sommige

robots moeten een stijve constructie krijgen die geschikt is

voor zware lasten, andere een zeer lichte structuur met

flexibele armen gekoppeld aan speciale sensoren en bestu­

ringssystemen voor het snelle en precieze assembleerwerk.

Een ander toekomstig toepassingsgebied ligt bij het samen­

stellen van twee materialen. Wanneer nieuwe materialen worden

geintroduceerd is het mogelijk dat de aloude lastechniek komt

te vervallen en andere technieken hun intrede doen. Een

voorbeeld hiervan is het lijmen van twee onderdelen. Robots

betrokken hierbij moeten dus kunnen inspringen op deze

veranderingen.

6.2.3 regelsystemen

Het dynamisch gedrag van veel, zoniet aIle, robots is slecht

vooral wanneer met grotere snelheden wordt gewerkt. Ook hier

kunnen betere regelsystemen een belangrijke rol spelen.

Niet aIleen zijn betere sensoren nodig, maar tevens zijn betere

regelsystemen gewenst om de informatie van de sensoren te

kunnen verwerken.

76

6.2.4 programmering

Tegenwoordig worden de bewegingen van de meeste robots

ingegeven via zogenaamde leerprogramma's. De operator beweegt

de robot volgens de gewenste baan.

Deze baan wordt onthouden en tijdens het werk doorlopen.AI­

hoewel deze methode tijdrovend is, wordt met deze on-line

programmering de problemen ontweken die kunnen ontstaan bij het

off-line programmeren van een robot. Er is meer research nodig

om deze off-line programmering meer toepasbaar te maken,

daarbij rekening houdende met de behoefte voor minimale

menselijke interventie.

6.2.5 grijper

Er is een duidelijke behoefte naar een op de menselijke hand

lijkende grijper, d.w.z. gevoelig voor richting van een kracht,

temperatuur en structuur. Veel onderzoek is echter nog nodig

voordat een grijper een begin kan maken met het dupliceren van

de flexibiliteit en handigheid van de menselijke hand.

6.2.6 hardware

Verder zijn er geavanceerdere programmeertalen nodig niet

aIleen om ervoor te zorgen dat de robot zijn werk efficienter

doet, maar tevens om de regelsystemen in staat te stellen

beslissingen te nemen op basis van onvoorspelbare

omstandigheden. Deze programmeertalen zouden tevens hun

steentje kunnen bijdragen aan het verwerken van de informatie

komende van de sensoren.

Veel onderzoek dient te worden verricht naar nieuwe standaards

voor zowel de hardware als de software. Vooruitgang wat dit

betreft is misschien onderweg in de vorm van MAP. De voordelen

van deze standaards liggen in de kosten en in de opleiding van

77

robotgebruikers.

6.2.7 botsingsprobleem

Een ander onderzoeksgebied betreft het botsingsprobleem. Vooral

bij industriele robots is de kans op een botsing reeel aanwezig

vanwege de hoge energieinhoud van de bewegende delen en de

hoeveelheid geregelde aandrij fsystemen met bijbehorende

meetsystemen.

Dit probleem kan op twee manieren worden opgelost.

Door invoering van robuuste systemen waarbij de kans op en fout

uiterst klein is. Een andere manier is het toepassen van

regelalgorithmen die botsingen voorkomen.

In beiden richtingen zijn op dit moment nog weinig onder­

zoeksresultaten beschikbaar.

78

LITERATUURLIJST

[ABB/1990]

[ABB/1990]

[cloos/1991]

[Desoyer/1985J

[Fukuchi/1990]

[Hitachi/ ...• ]

[Jamshidi/1990]

[Mannaa/1991]

[Mair/1988]

[Miller/1988]

[Muno/1991]

ABB: Industrial Robot: Product Rangeproductfolder 1990.

ABB: The IRB 2000productfolder, 1990.

cloos: Robotersystemeproductfolder, 1991.

Desoyer, Kurt and Kopacek, P. and Troch, IngeIndustrieroboter und Handhabungsgereate:AUfbau, Dynamik, Steuerung, Regelung undEinsatz.R. Oldenbourg Verlag Munchen Wien 1985.

Fukuchi, F. and Miyake, N. and Mohri, s.Current And Future Robot TrendsIn: Hitachi Review, Vol. 39 No.3, 1990.

Hitachi: Hitachi Industrial Robots: GeneralKatalogproductfolder.

Jamshidi, M.Sensors And Interfacing In Robotics AndManufacturingIn:Robotics and Computer-IntegratedManufacturing, vol 7 no 3/4, pp 243-253, 1990.Pergamon Press pIc.

Mannaa, A.R. and Akyurt, M. and EI-Kalay, A.K.Enhanced Gripping Mechanism For IndustrialRobotsIn: International Journal Of Robotics AndAutomation, Vol. 6, No.3, 1991.

Mair, Gordon M.Industrial RoboticsPrentice Hall International (U.K.) Ltd.

Miller, RexFundamentals Of Industrial Robots And RoboticsPWS-Kent Publishing Company, Boston.

Muno, H. and Kneorr, B.Aufgaben Und Leistungen DerRationalisierungsbrache: Montage HandhabungIndustrieroboterIn: Werkstatt und Betrieb, 4 april 1991.C. Hanser Verlag, Munchen 1991.

79

[Offodile/1991]

[Panasonic/1991]

[Pritschow/1990]

[Pugh/1983]

[Rathmill/1985]

[Warnecke/1984]

[Wolovich/1987]

Offodile, O.F. and Ugwu, K.Evaluating The Effect Of Speed And Payload OnRobot RepeatabilityIn: Robotics and computer-IntegratedManufacturing vol 8, No 1, pp 27-33, 1991.Pergamon Press pIc.

PanasonicPana roboAW-8010, productfolder 1991.

Pritschow, Gerrit and Philipp, W.Elektrische Directantriebe FurRobotergrundacksenIn: Roboter Systeme, vol 6, pp 89-98, 1990.springer Verlag 1990.

Pugh, Alanrobot vision: International Trends InManufacturing Technologie.springer Verlag, Berlin, Heidelberg, NewYork:IFS (Publications) Ltd., U.K.

Rathmill, KeithRobotic Assembly:International Trends InManufacturing TechnologieIFS(publications) Ltd, UK, 1985.

Warnecke, H.-J. and Schraft R.D.industrie roboter: Katalog '84.vereinigte Fachverlage, Mainz.

Wolovich, W.A.Robotics: Basic Analysis And DesignHolt, Rinehart and Winston, New York.

80

PROJECTSTRATEGIE

ORIENTATIE

Oo:-wat is de precieze opdracht?-wat zijn de criteria waaraan de opdracht moetvoldoen?

-Welke kennisbronnen zijn beschikbaar?-Waar zijn deze te vinden?-Wie is de opdrachtgever?

Op:-Kontact opnemen met dhr. Schrauwen vooropdrachtsomschrijving?

-Kennisbronnen zoeken en selecteren.

Ou:-opdracht: literatuurstudie naar de uitvoeringsvormenvan robots in de montagejassemblagejhanteer omgeving.

-*belasting van tweehonderd uur voor twee personen.*uitvoering volgens de projectstrategie.*verslaglegging volgens normen Westendorp.

-kennisbronnen:*tijdschriften faculteitsbibliotheek*cd-romjhoofdgebouw*VUBISjw-bibliotheek*robot-Iab (folders)jw-hal*Valk Welding, Alblasserdam*Geveke Electronics, Amsterdam*Cloos Nederland B.V., Tiel

-opdrachtgever:*dhr. Schrauwen

PLANFASE

Po:-de gevonden boeken intensief bestuderen-de voor ons van belang zijnde informatie noteren-dan folders van robotfabrikanten doornemen-specifieke informatie noteren-indeling van het verslag bepalen

Pp:-afspraak maken over werkverdeling-tijdsindeling:*informatie verzamelen: 20 uur

*bestuderen 60 uur*uitwerken 80 uur*verslaglegging 40 uur

TOTAAL :200 uur

Pu:-uitvoeren van de Pp-fase

UITVOERING

uitvoeren van plan

--------------- 81