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:[email protected] 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