Tallinna Tehnikaülikool

Elektriajamite ja jõuelektroonika instituut

TÕNU LEHTLA

ROBOTITEHNIKA

Tallinn 2008

2

T. Lehtla. Robotitehnika. TTÜ elektriajamite ja jõuelektroonika instituut. Tallinn, 2008. 201 lk. Raamat „Robotitehnika” on mõeldud TTÜ bakalaureuse- ja magistriõppe kursuste põhiõpikuks energeetikateaduskonna elektriajamite ja jõuelektroonika, infotehnoloogia teaduskonna arvuti- ja süsteemitehnika ning mehaanikateaduskonna mehhatroonika erialadel. Käesoleva raamatu koostamist ja kirjastamist on toetanud SA Innove.

T. Lehtla, 2007. tlehtla@staff.ttu.ee TTÜ elektriajamite ja jõuelektroonika instituut 2008.

Ehitajate tee 5, Tallinn 19086 Tel. 620 3700, 620 3704 Faks 620 3701 www.ttu.ene.ee/Elektriajamid/

ISBN 9985-69-016-7????? © Tallinna Tehnikaülikooli elektriajamite ja jõuelektroonika instituut

3

Saateks Tööstusrobotid on tihedalt seotud nii elektrienergia kasutamise kui ka tootmise automatiseerimise valdkondadega ning jäävad seetõttu energeetika ja automaatika piirimaile. Raamatu sisu vastab õppeainetele Sissejuhatus robotitehnikasse ja Robotitehnika erikursus. Seepärast on raamatusse valitud eelkõige õppematerjal, mille tundmine tulevasele insenerile on kõige olulisem. Õppematerjal on püütud esitada võimalikult lihtsalt ja arusaadavalt. Autori sooviks oli koostada õpik, mille üldine filosoofiline mõttearendus on järjekindlas seoses konkreetsete näidetega. Selle raamatu kasutajale on jäetud piisavalt ruumi lennukaiks insenerimõtteiks ning teisalt on püütud neid mõtteid järjekindlalt juhtida reaalse elu probleemide juurde. Tõnu Lehtla

4

Sisukord 1. SISSEJUHATUS 7

1.1. Andmeid robotitehnika ajaloost 7 Robotite olemus ja liigitus 11 Tööstusrobotite ehitus ja tehnilised omadused 17 Tootmise tehnoloogia ja robotid 19 Tööstusrobotite kasutamise statistika 21 Robotite veebilehed ja veebipõhised sidusajakirjad 22 2. MANIPULAATORI KINEMAATIKA 23

2.1. Asendivektorid ja nende teisendamine 23 2.2. Manipulaatori kinemaatikaülesanded 30 2.3. Kiirus- ja momendivektorite teisendamine 34 2.4. Manipulaatori kinemaatilised ahelad 38 2.5. Ristkoordinaatides kirjeldatav manipulaator 41 2.6. Silindrilistes koordinaatides kirjeldatav manipulaator 42 2.7. Sfäärilistes koordinaatides kirjeldatav manipulaator 47 2.8. Paljulülilised ja paindlülidega manipulaatorid 49 2.9. Rööpkinemaatikaga manipulaatorid 49 2.10. Liikurroboti kinemaatika 58

3. ROBOTITE MEHAANIKA 67

3.1. Ülekandemehhanismid 67 3.2. Manipulaatormehhanismid 75 3.3. Lõtkuvabad mehhanismid 82 3.4. Kaod ülekandemehhanismides 84 3.5. Ajami mehaanika põhivõrrandid 86 3.6. Staatiliste momentide ja inertsimomentide ja jäikuste taandamine 89 3.7. Robotiajami koormus 92 3.8. Roboti haaratsid ja tööriistad 95

4. RAJAPLAANIMINE JA TRAJEKTOORI PLAANIMINE 109

4.1. Rajaplaanimise- ja trajektoori plaanimise üldprobleemid 109 4.2. Tõkked ja nende vältimine 111 4.3. Keskkonna tuvastamine ja modelleerimine 115 4.4. Automaatne rajaplaanimine 117 4.5. Rajaplaanimise hindamiskriteeriumid 121 4.6. Manipulaatori tööorgani liikumise plaanimine 123 4.7. Liikumisdiagrammid 124

5. ROBOTI AJAMID 137

5.1. Servoajam 137 5.2. Servomootor 138 5.3. Servomootori toiteahelad 144 5.4. Servomootori juhtimine 148 5.5. Robotiajami andurid 151 5.6. Servoajamite seadistustarkvara 154

5

6. ROBOTITE JUHTIMINE 157

6.1. Roboti juhtimise üldpõhimõtted 157 6.2. Roboti liikumise kirjeldamine 160 6.3. Robotsüsteemide tarkvaraline arenduskeskkond ehk

virtuaalne robotitehnika 167 6.4. Robotite programmeerimine ja programmikeeled 170

7. LIIKURROBOTITE NAVIGATSIOON 181

7.1. Asukoha tuvastamise viisid 181 7.2. Liikurroboti lähitegevuse navigatsiooniandurid 182 7.3. Kiirendusandurid ja güroskoobid 185 7.4. Maamärgid, majakad ja nende tuvastamine 189 7.5. Roboti asukoha määramine tasapinnal 194 7.6. Roboti asukoha määramine ruumis, GPS 198

Kirjandus 201

6

7

1. SISSEJUHATUS

Kui pikk on robotiehituse ajalugu? Robotitehnika põhimõisted. Robotite liigitus. Tööstusrobotite üldehitus.

1.1. Andmeid robotitehnika ajaloost Robotitehnika ja automaatika ajalugu on laialt kajastatud veebilehtedes: http://trueforce.com/Articles/Robot_History.htm http://www.ibotz.com/html/CustSuptHistory.html http://www.lakeregionthunder.com/CSP/cyber/industrial/industrial.html http://www.stanwood.wednet.edu/shs/tsa/DB/x.htm http://en.wikipedia.org/wiki/Industrial_robot http://www.robots.com/history.htm http://inventors.about.com/od/timelines/ http://inventors.about.com/od/roboticsrobots/ http://infolab.stanford.edu/pub/voy/museum.html

Umbes 270 eKr ehitas muistne Kreeka insener Ctesibus liikuvate osadega figuure, mis liikusid koos vee jõul käitatavate kelladega.

1801 Joseph Jacquard leiutas tekstiilimasina, mida juhiti perfokaardi abil. Neid programmeeritavaid kudumistelgi kasutati masstootmiseks. Tekstiilimasina leiutamine oli programmjuhtimise ja masstootmise alguse tähtsündmus.

1818 Mary Shelley kirjutas raamatu "Frankenstein", mis kirjeldas hirmuäratavat tehisolendit, mille oli loonud dr Frankenstein.

1830 Ameeriklane Christopher Spencer ehitas nukkmehhanismiga juhitava (s.o programmjuhtimisega) treipingi.

1892 Seward Babbitt ehitas Ameerika Ühendriikides haaratsiga varustatud motoriseeritud kraana, et ahjust valuplokke välja tõsta.

1920 Tšehhi näitekirjanik Karel Čapek kirjutas näidendi R.U.R ehk Rossum’s Universal Robots. Sõna robot tuleneb tšehhikeelsest sõnast robota, mis tähendab tööd. Näidend esietendus 1921. aastal Londonis.

1938 Ameeriklased Willard Pollard ja Harold Roselund konstrueerisid firmale DeVilbiss Co programmeeritava värvipihustusmehhanismi.

1942 Ulmekirjanik Isaac Asimov avaldas novellis Runaround kolm robotiseadust.

1946 Arvutite esilekerkimine. George Devol patenteeris üldotstarbelise masinate juhtimisseadme, mis põhines magnetlindile salvestatud programmil. J. Presper Eckert ja John Mauchly ehitasid Pensilvania Ülikoolis arvuti ENIAC , esimese elektronarvuti maailmas. Massachusettsi Tehnikaülikoolis (Massachusetts Institute of Technology, MIT) lahendas üldotstarbeline digitaalarvuti Whirlwind oma esimese ülesande.

8

1948 Massachusettsi Tehnikaülikooli professor Norbert Wiener avaldas raamatu „Küberneetika ehk juhtimine ja side loomas ja masinas” (Cybernetics or Control and Communication in the Animal), mis käsitles side- ja juhtimisprobleeme elektroonilistes, mehaanilistes ja bioloogilistes süsteemides ning millest sai alguse teadusharu küberneetika.

1951 Prantsusmaal ehitas Raimond Goertz aatomienergeetika komisjoni tellimusel esimese kaugjuhitava liigendkäe. Seadme ehitus põhines kahel mehaaniliselt ühendatud käel, millest üht (ülemseade ehk master) kasutati juhtimiseks ning teine (alluvseade ehk slave) jäljendas selle liigutusi. Samataolised seadmed on radioaktiivses keskkonnas töötamiseks kasutusel tänapäevani. Üldjuhul on seda leiutist käsitletud jõutagasiside tehnoloogia olulise verstapostina.

1954 Georg Devol ehitas esimese programmeeritava roboti, võttis kasutusele universaalautomaadi mõiste, mis pani hiljem aluse firma Unimation nimele. G. Devol kirjutas: "Käesolev leiutis teeb inimesele esmakordselt kättesaadavaks üldotstarbelise universaalse masina, mida saab kasutada kõikjal, kus on tegemist tsüklilise tööprotsessiga.”

1956 Georg Devol kohtus Joseph F. Engelbergeriga, noore lennundustööstuse (aerospace industry) inseneriga. Koos kaaslastega lõid nad hiljem esimese robotifirma Unimation Inc. ning ehitasid 1958. aastal oma esimese roboti. Nende tegevus oli oma ajast kaugel ees. Engelbergeri sõnade järgi ei andnud firma Unimation kasumit kuni 1975. aastani.

1957 Esimene mehitamata kaugjuhitav kosmosesõiduk (remote-controlled spacecraft) Sputnik 1 saadeti NSV Liidus Maa orbiidile 4. oktoobril 1957. Mehitamata kosmosesõidukid, vt http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_unmanned_spacecraft_by_program

1959 Planet Corporation tõi turule esimese müügiotstarbelise ehk kommertsroboti.

1959 Marvin Minsky ja John McCarthy rajasid Massachusettsi Tehnikaülikoolis tehisintellekti laboratooriumi.

1960 Condec Corporation ostis firma Unimation ning alustas robotite Unimate väljatöötamist. Firma AMF (American Machine and Foundry Corporation) tõi turule silindrilises koordinaadistikus töötava roboti Versatran, mille konstrueerisid Harry Johnson ja Veljko Milenkovic.

1962 General Motors ostis firmalt Unimation esimese roboti ning pani selle New Jersey’s vooluliinile tööle. See oli esimene Unimate-tüüpi robot.

1963 Loodi esimene arvutiga juhitav tehiskäsi (artificial robotic arm) Rancho Arm, mis ehitati puuetega inimeste abivahendiks. Käe 6 lüli tagasid liigutuste piisava paindlikkuse.

1963 John McCarthy pani aluse uuele tehisintellekti laboratooriumile Stanfordi Ülikoolis.

1964 Tehisintellekti laboratooriumid avati MITis, Stanfordi Ülikoolis ja Stanfordi Teadusuuringute Instituudis (Stanford Research Institute, SRI) ja Edinburgi Ülikoolis.

1964 Asutati firma C&D Robotics.

1965 Carnegie Melloni Ülikool asutas robotitehnika instituudi.

1965 Roboti kinemaatika kirjeldamiseks kasutati homogeenset transformatsiooni (homogeneous transformation), mis on robotiteoorias tänapäevani kasutusel.

1965 Loodi esimene ekspertsüsteem ehk programm DENDRAL, mis kasutas ekspertide akumuleeritud teadmisi.

1967 Jaapan alustas firmalt AMF ostetud Versatran-tüüpi robotite importimist (esimene robot Jaapanis).

9

1968 Jaapani firma Kawasaki ostis hüdraulilise ajamiga robot Unimation tootmise litsentsi ning alustas robotite tootmist Jaapanis. Ameerika kaotas oma 10 aastat kestnud liidripositsiooni robotite alal Jaapanile.

1968 Marvin Minsky ehitas 8jalgse roboti ehk kaheksajala taolise kombitskäe (octopus-like Tentacle Arm).

1968 Stanfordi Teadusuuringute Instituut ehitas tehisnägemisega ja arvutiga juhitava roboti Shakey, mis tajus ruumi mõõtmeid.

1969 Stanfordi Ülikooli professor Victor Scheinman konstrueeris sfäärilises koordinaadistikus töötava robotkäe, mille kinemaatikat tuntakse tänapäeval Stanfordi käena. Stanfordi käsi oli elektriajamitega 6 liikuvusastmega (5 pöördliikumisega ja 1 lineaarliikumisega) liigendkäsi, mis sobis hästi tööstuslikuks kasutamiseks ning võimaldas robotil täita keerukaid ülesandeid ja liigutada kätt mööda keerukat trajektoori, tänu millele sai teha keerukaid koostetöid ning kaarkeevitust.

1970 Ehitati esimene tehisintellektiga liikurrobot Shakey.

1970 Stanfordi Ülikoolis loodud elektriajamitega robotkäe kinemaatika muutus robotivallas standardiks (standard arm).

1973 Firma Cincinnati Milacron tõi turule roboti T3 (The Tomorrow Tool), esimese miniarvutiga juhitava tööstusroboti, mille konstrueeris Richard Hohn.

1974 Loodi robotkäsi (Silver Arm), mis suutis kokku monteerida väikestest detailidest koostusid ning kasutas puute- ja survetundlikke andureid.

1974 Professor Victor Scheinman asutas firma Vicarm Inc., et alustada enda loodud robotkäe tööstuslikku tootmist. Robotkätt juhiti miniarvutiga.

1976 Robotkätt kasutati planeet Marssi uurinud kosmosesõidukitel Viking 1 ja Viking 2 pinnaseproovide võtmisel. Robotkäe juhtimiseks võttis firma Vicarm Inc. kasutusele mikroarvuti.

1977 Firma ASEA (firma ABB üks eelkäijatest) tõi turule kaks eri suurusega elektriajamitega varustatud tööstusrobotit. Mõlema roboti programmeerimiseks ja talitluse juhtimiseks kasutati mikroarvutit.

1977 Firma Unimation ostis firma Vicarm Inc.

1978 Kasutades firmas Vicarm Inc. loodud tehnoloogiat, töötas firma Unimation välja roboti PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly). Õnnestunud ehituse tõttu on PUMA robotid tänapäevani kasutusel ning paljude nüüdisrobotite ehitus sarnaneb PUMAga.

1978 Asutati firma Brooks Automation.

1979 Standfordi liikurrobot Cart läbis ilma inimese abita lapsi täis ruumi. Robotil oli 2 TV-kaamerat, mis registreerisid eri suundades ümbruse ning edastasid pildi arvutile. Arvuti analüüsis pilti ja kaugusi roboti ja tõkete vahel.

1979 Firmad Sankyo ja IBM tõid turule SCARA (Selective Compliant Articulated Robot Arm) roboti, mis töötati välja Yamanashi Ülikoolis Jaapanis.

1981 Asutati firma Cognex.

1981 Asutati firma CRS Robotics Corp.

1982 Jaapani firma Fanuc ja General Motors moodustasid ühisettevõtte GM Fanuc robotite tootmiseks Põhja-Ameerikas.

10

1983 Asutati firma Adept Technology.

1984 Joseph Engelberger alustas tööd teisaldusrobotitega (Transition Robotics), mida hiljem nimetati abimeesteks (Helpmates), et välja arendada teenindusrobotid.

1986 Pärast firmalt Unimation ostetud litsentsi tähtaja lõppemist alustas firma Kawasaki enda loodud elektriajamiga robotite tootmist.

1988 Stäubli Group ostis Westinghouse’ilt firma Unimation. Enne seda oli Unimation müüdud firmale Westinghouse.

1989 Asutati firma Computer Motion.

1989 Asutati firma Barrett Technology.

1990 Robotiturul tegutses enam kui 40 Jaapani firmat, sh sellised gigandid nagu Hitachi ja Mitsubishi. Võrdluseks olgu öeldud, et Ameerikas oli vaid tosinajagu firmasid, kes tootsid roboteid müügiks. Nende seas olid juhtivateks Cincinnati Milacron ning veidi varem ka Westinghouse's Unimation. Vaatamata aktiivsele teadus-arendustööle Ameerikas, oli Jaapan robotite tööstuslikus kasutamises jõudnud maailmas kindlalt liidripositsioonile.

1993 Asutati firma Sencable Technologies.

1994 CMU Robotics Institute’is loodud 6-jalgne robot Dante II uuris Alaskas vulkaani Mt Spurr kraatrit ning võttis vulkaaniliste gaaside proove.

1995 Fred Molli, Rob Younge ja John Freudi loodud firma Intuitive Surgical alustas kirurgia robotsüsteemide väljatöötamist. Tehnoloogia põhines SRI, IBMi ja MITi varasematel töödel.

1997 NASA kosmoselaeva Sojourner ja marsikulguri PathFinder edukas tegutsemine Marsil ning panoraamfotode edastamine Maale.

1997 Jaapani firma Honda esitles humanoidrobotit P3 (see oli humanoidi kaheksas prototüüp). Humanoidide projekti alustati firmas 1986. aastal.

1998 Mikromehaaniliste robotite uurimise ja lendava robotkärbse (micromechanical flying insect, MFI) ehitamise idee California ülikoolis (University of California, Berkeley). Projekt käivitati mais 1998 ja keskendus esimesel kolmel aastal kärbse aerodünaamika uurimisele. 2003. aastaks saavutati 25 mm tehistiiva tõstejõuks 500 mikronjuutonit. Arvatakse, et päikeseenergiaga laetava liitiumaku ja piesoelektrilise ajami toel on võimalik ehitada miniatuurne lennumasin, mis imiteerib kärbse lendu. Teadlasi on hämmastanud kärbse järsud, peaaegu täisnurksed pöörded ja navigatsioon.

2000 Jaapani firma Honda esitles humanoidide uue põlvkonna robotit Asimo.

2000 Sony esitles näitusel Robodex humanoidroboteid nimega Sony Drem Robots (SDR).

2000 Sony esitles II põlvkonna robotkoera Aibo.

2001 Kanada robotifirma MD Robotics ehitas kosmosemanipulaatori (Station Remote Manipulator System, SSRMS), mis saadeti edukalt orbiidile ning asus lõpetama rahvusvahelise kosmosejaama International Space Station ehitust.

2004 Robotite järjest laiem kasutamine biotehnoloogiliste materjalide käsitsemisel.

Prognoos

2025 USA kaitseministeeriumi prognoosi kohaselt algab robotisõdade ajastu.

11

1.2. Robotite olemus ja liigitus Robotite eelajalugu ilmestasid inimesega või loomaga sarnased automaadid, mis jäljendasid elusolendi liigutusi. Neid nimetatakse humanoidideks või lihtsalt automaatideks (automaton). Taoliste automaatide ülesandeks oli ja on jätkuvalt inimesi üllatada ja lõbustada. Tänapäeval arendatakse robotitehnikat peamiselt selleks, et asendada või abistada inimest. Roboti mõiste Nimetus robot pärineb tšehhi kirjaniku Karel Čapeki 1920. aastal ilmunud näidendist "R.U.R" (Rossum's Universal Robots), kus ta tähendab tehisinimest. Sellest tulenevalt on levinud arusaam, et robot ja inimene on väliselt sarnased. Tänapäeval mõeldakse roboti all automaati, mis asendab inimest tööprotsessis. Selliste automaatide ehitamise katseid alustati eelmise sajandi 50. aastate keskel. Sarjaviisiliselt hakati roboteid valmistama aastail 1962-1963. Nende tootjaks olid USA firmad Unimation ja AMF (American machine and Foundry Company). Kolm põhjust robotite kasutamiseks

1. Keskkond pole inimese tööks sobiv (ohtlik). 2. Töö on inimese jaoks liiga nüri (üksluine). 3. Inimese füüsilised võimed pole töö tegemiseks piisavad.

Robotieetika Isaac Asimovi 3 robotiseadust. Robotitehnika on eesliiniteadus (frontier science), mille rakendused võivad ohustada inimest. Seda asjaolu tunnetades avaldas teaduse populariseerija ja ulmekirjanik Isaac Asimovi 3 robotiseadust. Need seadused on pärit Isaac Asimovi 1942. aastal ilmunud raamatu „Mina, robot” (I robot) novellist Runaround.

1. Robot ei tohi kahjustada inimest ning inimest ähvardava ohu korral peab takistama inimese kahjustamist.

2. Robot peab täitma inimese käske, välja arvatud juhul, kui need on vastuolus esimese seadusega

3. Robot peab kaitsma oma eksistentsi seni, kuni tema enesekaitse pole vastuolus esimese ja teise seadusega.

Tegelikult on tänapäeval oluline kõrgtehnoloogiliste masinate loojate eetika. Robotit võib panna sooritama mis tahes kuritegu. Tehnoloogia arenguga muutuvad kuritegeliku käitumise tagajärjed üha ohtlikumaks. Vahetu vägivald kaugeneb kuriteo sooritajast: vrd sõjapidamist mõõgaga, püssiga, suurtükiga, programmjuhitava raketiga.

12

Robotite liigitus Sõltuvalt roboti kasutusotstarbest ja inimese elutegevuse valdkonnast saab roboteid liigitada. • Tööstusrobotid ja transpordirobotid on eesmärgipäraseks liikumiseks (motion

control) mõeldud masinad, mida kasutatakse tootmise automatiseerimiseks (industry automation), samuti telemanipulatsiooni, autonoomse transpordi, ladude ja kaubamajade automatiseerimisvahendid

• Turvateenistus- ja sõjandusrobotid - valverobotid ja avaliku korra tagamise robotid, iseliikuvad soomukid, tiibraketid, piloodita luurelennukid.

• Uurimisrobotid - autonoomsed või kaugjuhtimisega kosmose ja süvamere uurimise masinad.

• Olmerobotid - laiatarbe automaatsed tolmuimejad, muruniidukid jms, mis aitavad inimest majapidamistöödel, õpiabirobotid, mis aitavad inimesel omandada teadmisi või oskusi.

• Meditsiinirobotid - haiglate automatiseerimiseks, operatsioonidel, taastusravil olevate inimeste jälgimiseks (robotõed) või liikumispuudega inimeste liikumisfunktsiooni taastamiseks kasutatavad robotid, bioloogiliselt inspireeritud robotid (bioonikal põhinevad robotid).

• Mängurobotid - intelligentsed mänguasjad, meelelahutusrobotid, LEGO-robotid, kõik automaatliikurid, mida inimese fantaasia suudab välja mõelda ja realiseerida.

• Ulmerobotid - kõik automaatliikurid, mida inimese fantaasia suudab välja mõelda, kuid ei suuda täna realiseerida; nt Hollywoodi filmitegelased, Frankensteini koletis jt. Nende jaoks on kasutusel mõiste science fiction robot.

Tööstusrobotite liigitus: • kohtrobotid (stationary robots) ja • liikurrobotid (mobile robots).

Kohtrobotid põhinevad statsionaarsel manipulaatoril, mis paigaldatakse tehnoloogiliste vajaduste kohaselt kas • põrandale • seinale • lakke • liikuvale masinale.

Liikurrobotid koosnevad pinnal (põrandal, maapinnal) liikuvast veokist ning sellele paigaldatud seadmestikust, vajaduse korral ka manipulaatorist. Kohtrobotite liigitus 1. Manipulaatori ehituse järgi: a) liikuvusastmete ehk koordinaatide arv (number of axes): 1 koordinaat – 1 sirgjooneline või 1 pöördliikumine 2 koordinaati - liikuda etteantud punkti tasapinnal 3 koordinaati - liikuda etteantud punkti ruumis 4 koordinaati - liikuda etteantud punkti ruumis ja pöörata eset ümber ühe telje 5 koordinaati - liikuda etteantud punkti ruumis ja pöörata eset ümber kahe telje 6 koordinaati - liikuda etteantud punkti ruumis ja pöörata eset suvalisse asendisse;

13

Esimesed 3 koordinaati on seotud roboti käe liikumisega, järgmised 3 koordinaati aga roboti käelaba pööramisega Kolm pöördliikumist on pööramine, kallutamine, lengerdamine (roll, pitch and yaw). b) lülide koordinaadistiku järgi: • ristkoordinaadistikus (Cartesian) (kõik lülid lineaarliikumisega) • silindrilises (cylindrical) koordinaadistikus (2 lineaar- ja 1 pöördliikumislüli) • sfäärilises (spherical) koordinaadistikus (1 lineaar- ja 2 pöördliikumislüli) • nurkkoordinaadistikus (kõik pöördliikumislülid, multiliigendkäsi) (PUMA) • horisontaalse ja vertikaalse liigendkäega (horizontal or vertical articulated arm)

SCARA (selective compliance articulated/assembly robot arm) • paralleelkinemaatikaga manipulaatorid;

c) lisaks iseloomustavad robotit

tööruum (working envelope) – ala või ruum, milles robot saab töötada tõstevõime (load capacity) - mass, mida robot suudab tõsta liikumiskiirus (speed) – haaratsi või tööorgani liikumiskiirus, liikurrobotil veoki liikumiskiirus positsioonimistäpsus (positioning accuracy) – mida iseloomustab maksimaalne positsioonimisviga tööruumis (etteantud ja tegeliku positsioonimispunkti vahekaugus) toiteallikas - elekter, suruõhk või suruõli ajami liik - ülekandemehhanismid jm.

Arvestada tuleb töökeskkonda - tehtavast tööst sõltuvat temperatuuri, kahjulikke aineid, niiskust, radioaktiivsust, lülide pikkusi, liigutuste kiirust ja täpsust, haaratsi või tööorgani ehitust, tõstejõudu jm. Manipulaatorite erinev kinemaatika tingib ka robotite erinevad juhtimisalgoritmid ja programmid. 2. Robotite liigitus ajamite järgi: Elektriajamitega robotid: Ajamites kasutatakse • hari- või pooljuhtkommutaatoriga ning püsimagnetergutusega alalisvoolumasinaid • püsimagnetergutusega või muutuval reluktantsil (magnetilisel takistusel) põhinevaid

samm-mootoreid • püsimagnetergutusega sünkroonmasinaid • asünkroonmasinaid • mitmesuguse tööpõhimõttega lineaarmasinaid • piesoefektil põhinevaid mikromootoreid.

Pneumoajamitega robotid: • pneumosilindritega varustatud punktist punkti liikuvad võta ja pane (pick and place)

tüüpi robotid, mida mõnikord nimetatakse nende lihtsuse tõttu ka automaatmanipulaatoriteks

• tehislihastega manipulaatorid - täispuhutavate elastsete silindritega (ilma kolvita) tehislihased, mille pikkus sõltub silindrisse puhutava õhu rõhust.

Hüdroajamitega robotid: • hüdrosilindrite või hüdromootoritega varustatud eriti suure tõstejõuga robotid.

3. Tööstusrobotite liigitus juhtimispõhimõtte järgi: Kaugjuhtimismanipulaatorid - inimese vahetul osavõtul toimivad masinad.

14

Tagasiside töökohalt toimub visuaalselt telepildi vahendusel või mitmesuguste andurite ja telekontrolli vahenditega, sh jõutagasiside abil (haptic feedback). Manipulaatorit juhtakse juhtpuldi nuppude ja seaduritega, juhthoovaga (joistick). Juhthoob on tagasimõjuta või tagasimõjuga (haptic). Manipulaatorit võib juhtida ka inimese bioimpulssidega või kõnega. Inimese liigutusi järgivaks manipulaatoriks on ka eksoskeleton ehk välisskelett, mis on kasutusel jäsemete liikumisulatuse ja jõu võimendamiseks.

Autonoomsed robotid – inimese vahetu osaluseta toimivad automaatsed masinad: • kindla programmi järgi töötavad punktist punkti liikuvad või etteantud trajektoori

järgivad programmjuhtimisrobotid • ümbrusetajuga ning keskkonna muutumist arvestavad adaptiivjuhtimisrobotid • tehisintellektiga (artificial intelligence, AI) robotid.

Kõik tööstusrobotid on teatud määral autonoomsed. Roboti töökeskkond on sageli määramatu, juhuslik, kaootiline. Mida suurem on keskkonna määramatus, seda täiuslikum peab olema robot. Lihtsa roboti kasutamisel tuleb tehnoloogilisse protsessi lisada muid määramatust vähendavaid seadmeid (nt detailide orienteerimine vibropunkritega või magnetväljaga). Täielikult autonoomne robot peaks reaalses maailmas olema võimeline • hankima infot ümbritsevast keskkonnast • töötama inimese sekkumiseta kuid või aastaid • liikuma punktist A punkti B ilma inimese abita navigeerimisel • vältima ohu tekkimist inimesele, tema varale või iseendale • remontima end ise ilma välise abita.

Robotil võib olla ka autonoomne õppimisvõime, et • hankida välise abita uusi teadmisi ja suurendada oma toimetulekuvõimet keskkonnas • valida erinevaid tegutsemisstrateegiaid, arvestades keskkonnas toimuvaid muudatusi • kohaneda välise abita ümbritseva keskkonnaga.

Autonoomsed robotid vajavad tehnohooldust nagu kõik teisedki masinad. 4. Robotite liigitus tehnoloogilise tegevuse järgi: • kaarkeevitus (arc welding) • koostetööd (assembly) • pinnapuhastus (cleaning/spraying) • metalli või muu materjali lõikamine (cutting) • kraatide eemaldamine (deburring) • kokillvalu (gravity die casting) • lihvimine, poleerimine (grinding/polishing) • survevalu, plastmassi injektsioonvormimine (die casting, injection moulding) • masinate hooldamine (machine tending) • esemete teisaldamine (handling) • värvimine (painting) • pakkimine (packing) • presside teenindamine (press servicing) • ladumine, ladustamine (palletizing) • punktkeevitus (spot welding).

15

Robotialase teadus- ja arendustöö probleemid Robotialast teadus- ja arendustööd tuleb käsitleda valdkonniti, sest robotitehnika on süsteemne teadusharu, mille peamine eesmärk on integreerida eri teadusharude saavutusi. Robotitehnika poolt hõlmatavateks suuremateks valdkondadeks on mehaanika, energeetika ja liikumise tekitamine ajamitega ning juhtimis- ja intellektitehnika. Vastavalt sellele on järgnevalt valdkonniti loetletud peamised robotite arendamisega seotud probleemid. Mehaanika-ala Liikurrobotite ehitus: • liikurmehhanismi ehitus (ratas- jalg- või roomikmehhanism) • erinäolised, nt liikuvate tiibadega lennumehhanismid.

Manipulaatorite ehituse täiustamine: • kerged ja tugevad materjalid • manipulaatorite kinemaatika optimeerimine (suletud kinemaatilised ahelad, rööp- ja

jadakinemaatikaga manipulaatorid, lõtkude kõrvaldamine) • mehhanismide jäikuse tagamine • painduvate lülidega manipulaatorid • ülekandemehhanismid (manipulaatormehhanismid liikumise ülekandeks läbi liikuvate

lülide, jäikuse ja massi dilemma, kiilrihmülekanded, lainereduktorid, liikumiste lahtisidestamine)

• erikonstruktsioonid, mikromanipulaatorid. Haaratsite ehituse täiustamine: • haaratsi sobitamine haaratava esemega või tööoperatsiooniga • piisava haardejõu ja järeleandvuse tagamine eriti detailide mitmesuguse istuga

koostetööde puhul • esemete tsentreerimine • andurite integreerimine ajamitesse ja mehhanismidesse.

Robotite energeetika ja liikumine (ajamid) Autonoomsete robotite energiavarustuse probleemid: • energiaallikad ja primaarenergia muundurid: akupatareid, kütuseelemendid (fuel cells),

päikeseelemendid (PV cells) • energiasalvestid (vesinikupaagid, akupatareid, ülikondensaatorid, hoorattad).

Ajamite probleemid: • uued elektromehaanilised muundurid, nt piesoelektrilised ajamid • mootorite massi ja mõõtmete vähendamine ning energeetiliste omaduste parandamine • masinate inertsimomendi vähendamine ja toimekiiruse suurendamine • energia regenereerimine ajamis ning manipulaatori kineetilise ja potentsiaalse energia

salvestamine, milleks on vajalikud vastavad muundurid • jõupooljuhtmuundurite kasuteguri suurendamine; probleemiks on madalapingeliste

(akust toidetavate) muundurite suur pingelang jõupooljuhtidel • mitmekoordinaadiliste mootorite väljatöötamine • tehislihased (nt elektri- või magnetvälja toimel kuju muutvad materjalid või rõhu toimel

kuju muutvad balloonid). Liikumise juhtimise (motion control) probleemid: • liikumistäpsuse tagamine täppismehhanismide ja ajami liikumise täpse juhtimisega

(täppisandurid asendi, kiiruse, jõu ja momendi mõõtmiseks)

16

• liikumisdiagrammide optimeerimine (asendi, kiiruse, kiirenduse ja tõuke ajafunktsioonid) ning liikumise toimekiiruse ja sujuvuse tagamine

• ajamite juhtimise probleemid (elektrimasinate mudelid, tagasisideandurid, ajamite vektorjuhtimine ja selle eri variandid)

• eri ajamite liikumise koordineerimine (manipulaatorite kinemaatika- ja dünaamikamudelid)

• täpne positsioonimine, trajektoori järgimine, tehnoloogiliste operatsioonide, nt kaarkeevituse või detailide koosteoperatsiooni nagu võlli pistmine avasse, teostamine.

Robotite programmeerimise ja tarkvara probleemid: • roboti lihtne ja mugav programmeerimine (programmeerimine ettetegemisega nt

keevitamiseks või värvimiseks) • roboti programmeerimine kinemaatikamudelite põhjal simulatsioonikeskkonnas koos

tehase projekteerimisega; robotimudelite andmebaasid (COSIMIR). Robotite intellektuaalse juhtimise probleemid Robotite ümbrusetaju ja kasutajaliidesed: • roboti lihtne ja mugav kasutamine liideste, nt HMI (human machine interface) või MMI

(man-machine) abil • kõnetuvastus ja kõnesüntees (inimese suhtlemine robotiga, mis on vajalik töö paremaks

korraldamiseks, kui inimese silmad ja käed on hõivatud muu tegevusega) • pildituvastus (defektsete detailide tuvastamine), esemete tuvastamine (vajaliku eseme

leidmine segipaisatud esemete hunnikust) • asukohatuvastus (lokaatorseadmed, globaalne positsioonimissüsteem (GPS),

elektroonilised kaardid). Robotite intellektuaalsed juhtimisalgoritmid: • tehisintellekti (artificial intelligence, AI) vahendite rakendamine • robotite iseõppimine ja iseprogrammeerimine (evolutional, generic algorithms) • robotite kollektiivne käitumine.

Veebilehed robotiäri ja robotitehnika arengu kohta http://www.roboticstrends.com/ http://www.robobusiness2006.com/ http://www.roboticstrends.com/Vendors+main.html http://www.roboticstrends.com/Academic+main.html

17

1.3. Tööstusrobotite ehitus ja tehnilised omadused Tööstusrobotite koostisosad. Statsionaarne tööstusrobot koosneb ühest või mitmest manipulaatorist ja programmjuhtimisseadmest. Liikurrobot koosneb programmjuhitavast veokist (sõidukist), millel võib paikneda üks või mitu manipulaatorit. Tööstusroboti manipulaatori põhilised mehaanilised komponendid on • liikurroboti veok • manipulaatori käsi • manipulaatori käelaba • manipulaatori haarats.

Firma ABB valmistatud tööstusroboti IRB 140 manipulaator ja juhtseade on joonisel 1.1. Sama roboti tööruumi (envelope) mõõtmed ja manipulaatorile lubatud koormused on näidatud joonisel 1.2 ja näide kataloogilehest roboti tüüpiliste tehniliste andmetega joonisel 1.3.

Joonis 1.1. Tööstusroboti IRB 140 manipulaator ja juhtseade S4Cplus koos teisaldatava õpetamispuldiga

Joonis 1.2. ABB roboti IRB 140 tööruum ja lubatud teisaldatav mass

18

Joonis 1.3. Näide kataloogilehest tööstusroboti IRB 140 tüüpiliste tehniliste andmetega Veebilehed tööstusrobotite otsinguks www.abb.com www.fanucrobotics.de www.staubli.com www.kuka.com www.festo.com www.mitsubishi.com www.scara-robots.com www.motoman.com/products/robots www.intelligentactuator.com/products/SCRA/ www.peakrobotics.com/ http://www.robots.epson.com/ http://www.yamaharobotics.com/business/robot/index.html http://www.densorobotics.com/

19

1.4. Tootmise tehnoloogia ja robotid Tootmise areng on seotud ühiskonna arenguga ning selles võib täheldada suhteliselt pikki rahuliku arengu ning nendega vahelduvaid tormilise arengu perioode. Rahulikele arenguperioodidele järgnevad tavaliselt tööstuslikud revolutsioonid, mis on omakorda mõjutanud kogu ühiskonna arengut. Nii on areng kulgenud agraarühiskonnast tööstusrevolutsiooni kaudu industriaalühiskonda ja sealt infotehnoloogilise revolutsiooni kaudu postindustriaalsesse infoühiskonda. Tööstusrevolutsioon oli tehnoloogilises mõttes energeetiline revolutsioon, mis sai alguse Watti aurumasina leiutamisest ja maapõue kütusevarude (fossiilkütuste) tööstuslikust kasutamisest. Sellega kaasnes energia tarbimise ja keskkonna saastamise drastiline suurenemine. Infotehnoloogilise revolutsiooni sisuks on automaatide (sh robotite) massiline kasutusele-võtt. Tootmine: • käsitöö manufaktuuris, töökojas • käsitööl põhinev tööstuslik konveiertootmine (H. Fordi autotööstus ja Ford Model T) • automaatliinidel põhinev vooltootmine (masstootmine) • robotsüsteemidel põhinev paindtootmine (tänapäeva autotööstus).

Tootmise dilemmad: • käsitöö või automaatide töö • tootmise paindlikkus (ümberseadistatavus) või jäikus (mittemuudetavus) • masstootmine või individuaaltootmine • odav hind või kõrge kvaliteet.

Käsitöö (handicraft production) Vooltootmine e masstootmine (mass production) – suure hulga standardtoodete valmistamine. Standardimine võimaldas muuta tooted odavaks, masinate kasutamine suurendas detailide täpsust, spetsialiseerumine tööviljakust. Ühe kindla tööoperatsiooni tegemiseks polnud vaja muuta keha asendit ega vahetada tööriista. Koosted liikusid ühelt töökohalt teisele konveierliini abil. Tööliste vilunud liigutused muutusid aina kiiremaks, kuid käsitööl põhinev masstootmine muutus töölisele koormavaks. 20. sajandil oli selle tootmisviisi loojaks ja populariseerijaks Henry Ford (auto Ford Model T). Portsjon- ehk saritootmine (batch production) on tootmisviis või tootmine, mille puhul tooteid tehakse portsjonite kaupa ning see vastandub pidevale tootmisele (continuous production) või tähtajalisele tootmisele (on time production). Portsjontootmise näiteks on pagaritöökoda. Toodet (leiba) küpsetatakse ahjus portsjonite kaupa. Portsjontootmise puuduseks on protsessi peatamine ja sellega seotud ajakulu, seadmete ümberseadistamise ja/või täiendava katsetamise vajadus jms. Saritootmine on kasulik väikeettevõtetes, kus tootmise maht on väike. Saritootmist kasutatakse ka katsetootmisel. Väikese partii (portsjoni) puhul pole tootja kahjum suur, kui tootel pole turul minekut.

20

Tellimustootmine (Just in Time, JIT) on vaheladudeta tootmisviis, millega kiirendatakse investeeringute tasuvust (vähendatakse tasuvusaega), suurendatakse efektiivsust ja parandatakse kvaliteeti. Iga toode või detail valmib täpselt selleks hetkeks, mil teda vajatakse tootmise jätkamiseks. See süsteem eeldab väga täpset tootmiskorraldust. Portsjontootmise eeliseks on väikesed algkulutused, sest ühtede ja samade seadmetega saab valmistada erinevaid tooteid. Toyota tootmissüsteem (Toyota Production System, TPS) on omaette idamaisel filosoofial põhinev tootmise korraldusviis, mis seob tootjad, varustajad ja kliendid üheks tervikuks. Põhieesmärgiks on likvideerida ebakõlad tootmises ehk tootmissaaste (waste). Eristatakse 7 liiki ebakõlasid: • toodete defekte (defects) • ületootmist (overproduction) • transporti (transportation) • ootamist (waiting) • lõpetamata toodangut, detailide varusid (inventory) • liikumist (motion) • liigtöötlemist (overprocessing).

Väheste kulutustega tootmine (lean manufacturing) on ärihuvisid arvestav tootmise plaanimine selleks, et toote hinda süstemaatiliselt vähendada tootmise kõikides etappides ning mis põhineb tervel real tootmist iseloomustavatel inseneriaruannetel. Kulutuste revideerimine algab toote projekteerimisest (dilemma projekti tehnilise ja ärilise õnnestumise vahel). Edasi kaasatakse tootmise ülevaatamisse süsteemiinsenerid, mehaanikainsenerid, elektriinsenerid, tarkvarainsenerid, kes kõik revideerivad tootmisprotsessi omast vaatevinklist. Süsteemiinsenerid käsitlevad üldisi valikuid (riistvara – tarkvara, elekter – mehaanika). Mehaanika-, elektri- ja tarkvarainsenerid vaatavad üle oma valdkonna valikud, selleks et muuta toode odavamaks ning säilitada seejuures tema funktsionaalsed ja tehnilised omadused. Väheste kulutustega tootmise põhimõtted: • probleemide lahendamine kohe nende tekkimisel ehk kvaliteetne ja defektideta toode

kohe ilma hilisemate parandusteta • ressursside, jäätmete ja saaste minimeerimine, ohutuse suurendamine • pidev täiustamine, hinna vähendamine, tootlikkuse suurendamine, informatsiooni

jaotamine (laialijagamine) • tootmine kliendi soovil (pull processing), s.t toodet tõmbab klient, mitte ei tõuka tootja • paindlikkus ehk erinevate toodete valmistamine väheste ümberseadistamistega, mis

tähendab ka väikeste partiide valmistamist suure efektiivsusega • usalduslike, pikaajaliste suhete loomine, ühiste riskide võtmine, kulutuste ja info

jagamine tarnijatega. Väheste kulutustega tootmine on õige tulemuse saavutamine õigel ajal, õiges kohas ja õiges koguses, tekitades minimaalselt jäätmeid ja saastet, olles samal ajal paindlik ja muutustele avatud. Paindlikkus saavutatakse robotite ja programmjuhtimisega tööpinkidega töötluskeskuste abil.

21

Paindtöötlemissüsteem (fexible manufacturing system, FMS). Raalprojekteerimine koos raaltootmisega (computer-aided design, computer-aided manufacturing, CAD-CAM) on tänapäeva tootmise üks põhisuundumusi tootmistsükli vähendamiseks. Arvuti virtuaalkeskkonnas projekteeritud toode viiakse võimalikult lühikese ajaga tootmisse. Näiteks saab tootmises kasutatavaid roboteid arvuti virtuaalkeskkonnas programmeerida enne tehasehoone valmimist ja robotite füüsilist paigaldamist. Pöördprojekteerimine (reverse engineering) – projekti tuletamine valmistootest. Uus toode luuakse ilma vanalt tootelt midagi otseselt kopeerimata. Tavaliselt tehakse seda selleks, et vältida autoriõiguse või litsentsi ostmist. On patendiseaduse rikkumisvõimaluste tõttu seotud riskidega, kuid on vastukaaluks patendiomanike agressiivsele, väljapressivale käitumisele turul. Pöördprojekteerimist kasutatakse ka konkurendi toote uurimiseks ja hindamiseks. Pöördprojekteerimine on olulisel kohal sõjanduses, kui tahetakse vaenlase relvasüsteeme järele teha. 1.5. Tööstusrobotite kasutamise statistika Paigaldatud robotite arv on http://www.unece.org/stats/robotics/ andmete kohaselt järjest kasvanud. 2004. aastal paigaldati Jaapanis 56 000 USAs 11 000 Euroopa Liidus 45 000 ja muudes maailma maades 15 000 robotit. Kokku oli 2004. aastal tööstusroboteid üle 1 miljoni. Robotite arvu suhtelist kasvu iseloomustab joonis 1.4.

Maailm

Euroopa

Põhja-Ameerika

Aasia

Joonis 1.4. Robotite juurutamise dünaamika, võrreldes 1996. aasta tasemega (andmed on pärit Internetist)

22

1.6. Robotite veebilehed ja veebipõhised sidusajaki rjad The International Robots & Vision Show - www.robots-vision-show.info Tehisnägemisealane konverentsiinfo.

Machine Vision Online e-Newsletters - www.machinevisiononline.org. Tehisnägemisealane info.

Engineers Handbook - http://www.engineershandbook.com/sitemap.htm Inseneri on-line andmebaas.

Manufacturing Automation - http://www.automationmag.com/ Valmistusautomaatika ja tootmise automatiseerimise probleemid.

Robotics World - http://roboticsworld.com/online_robo/SeptOct06/toc.asp Paindtootmise ja tehisintellektiga masinate probleemikäsitlus tootmise juhtimisega tegelevatele automaatikaspetsialistidele.

RobotBooks.com - http://www.robotbooks.com/ Robotitehnikat käsitlevate raamatute ülevaated, ajakirjad, õppe- ja mängurobotite komplektid, hobirobotid.

Antenen Research - http://www.antenen.com/ Suurim valik uusi ja kasutatud roboteid koos nende andmetega.

Robot Information Central - http://www.robotics.com/robots.html Lai valik robotitehnikat puudutavat teavet firmalt Arrick Robotics.

UsedRobots.com - http://www.used-robots.com/ Robotite ja nende osade ost ja müük firmadelt Motoman, Panasonic, ABB, Fanuc jt.

Caltech Research Papers - http://robotics.caltech.edu/papers.html Robotitehnikat käsitlevad on-line artiklid prof Burdick’i uurimisrühmalt Californias.

The International Federation of Robotics - http://www.ifr.org/ Rahvusvahelise robootikaföderatsiooni veebileht.

Robotics Industries Association - http://www.roboticsonline.com/index.cfm Robootika tööstusassotsiatsiooni veebileht. Assotsiatsiooni kuulub üle 200 kollektiivliikme, kuhu on koondunud tuhanded spetsialistid ja eksperdid.

http://trueforce.com/encyclopaedia/robot_encyclopaedia-C.htm Robotitehnika seletav sõnaraamat, entsüklopeedia.

http://pages.cpsc.ucalgary.ca/~jaeger/visualMedia/robotHistory.html Robotitehnika illustreeritud ajalugu.