ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ∆ΕΥΤΙΚΟ Ι∆ΡΥΜΑ ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ

ΤΜΗΜΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ

ΝΕΥΡΩΝΙΚΑ ∆ΙΚΤΥΑ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ

ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ των

ΨΑΡΟΠΟΥΛΟΥ ΒΑΣΙΛΙΚΗ ΣΦΑΡΝΑ ΓΕΩΡΓΙΑ

Εισηγητές : ΤΣΕΛΕΣ ∆ΗΜΗΤΡΙΟΣ ΝΙΚΟΛΑΟΥ ΓΡΗΓΟΡΙΟΣ

Αθήνα, Νοέµβριος 2006

http://www.teipir.gr/vrml.html

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΠΕΙΡΑΙΑ

ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ

ΤΜΗΜΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ

ΝΕΥΡΩΝΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ

ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

των

ΨΑΡΟΠΟΥΛΟΥ ΒΑΣΙΛΙΚΗ

ΣΦΑΡΝΑ ΓΕΩΡΓΙΑ

Εισηγητές : ΤΣΕΛΕΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ

ΝΙΚΟΛΑΟΥ ΓΡΗΓΟΡΙΟΣ

Αθήνα, Νοέμβριος 2006

Ευχαριστίες

Θα θέλαμε να εκφράσουμε τις ευχαριστίες μας, στους εισηγητές μας κ. Τσελέ Δημήτριο και κ. Νικολάου Γρηγόριο, για την πολύτιμη βοήθεια, τη διάθεση χρόνου αλλά και για τη σωστή καθοδήγηση κάλυψης του αντικειμένου της πτυχιακής εργασίας.

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

6ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ

61Εισαγωγή

71.1Η εμφάνιση των ρομπότ

151.2Ορισμοί

161.3Λόγοι χρήσης των ρομπότ

171.4Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα από τη χρήση ρομπότ

181.5Κριτήρια τάσεων απόκτησης των ρομπότ

201.6Βασικά χαρακτηριστικά των βιομηχανικών ρομπότ

211.7Δομή ρομποτικού συστήματος

221.7.1Ρομποτικός βραχίονας

251.7.2Οι αρθρώσεις του ρομπότ και το σύστημα συμβολισμού αρθρώσεων

261.7.3Τα εργαλεία των ρομπότ

271.8Η εξωτερική πηγή ενέργειας

271.9Το σύστημα ελέγχου

271.9.1Ο ελεγκτής του ρομπότ

301.9.2Οι σταθμοί διδασκαλίας

312Ταξινόμηση των βιομηχανικών ρομπότ

322.1Γεωμετρικός σχηματισμός

322.1.1Καρτεσιανά ρομπότ (Rectangular robots)

332.1.2Κυλινδρικά ρομπότ (Cylindrical robots)

332.1.3Σφαιρικά ρομπότ (Spherical robots)

342.1.4Αρθρωτά ρομπότ

352.1.5Ρομπότ τύπου SCARA

362.1.6Ρομπότ τύπου Gantry

372.1.7Παράλληλοι χειριστές

382.1.8Ρομποτικά χέρια

392.1.9Κινητά ρομπότ

403Δυνατότητες των ρομπότ

413.1Κατηγορίες εφαρμογών ρομποτικών συστημάτων

413.1.1Διαχείριση υλικών

423.1.2Φόρτωση και εκφόρτωση μηχανών

433.1.3Ψεκασμός

443.1.4Ηλεκτροσυγκόλληση

453.1.5Μηχανουργικές κατεργασίες

453.1.6Συναρμολόγηση

463.1.7Επιθεώρηση – Έλεγχος ποιότητας

474Γενική δομή των ρομποτικών συστημάτων

50ΤΕΧΝΗΤΑ ΝΕΥΡΩΝΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ

505Εισαγωγή

515.1Τι είναι νευρωνικό δίκτυο

525.2Ιστορική Αναδρομή

545.3Γιατί να χρησιμοποιήσουμε τα νευρωνικά δίκτυα

555.4Νευρωνικά Δίκτυα και Συμβατικοί Υπολογιστές

566Ανθρώπινοι και Τεχνητοί Νευρώνες

566.1Πως λειτουργεί ο ανθρώπινος εγκέφαλος

586.2Από τους Βιολογικούς στους Τεχνητούς Νευρώνες

597Βασικά στοιχεία νευρωνικών δικτύων

597.1Τα νευρωνικά δίκτυα

627.1.1Απλός νευρώνας

637.1.2Νευρώνας με διανυσματική είσοδο

648Συναρτήσεις

648.1Συναρτήσεις μεταβίβασης

648.2Συνάρτηση κατωφλίου

668.3Γραμμική συνάρτηση

678.4Σιγμοειδής συνάρτηση

689Αρχιτεκτονική νευρωνικών δικτύων

699.1Δομή δεδομένων εισόδου

7010Προσομοίωση δικτύων

7010.1Προσομοίωση στατικού δικτύου

7110.2Προσομοίωση δυναμικού νευρωνικού δικτύου

7311Τύποι εκπαίδευσης νευρωνικών δικτύων

7411.1Perceptrons

7611.1.1Εκπαίδευση του perceptron

8211.2Γραμμικά νευρωνικά δίκτυα

8411.2.1Εκπαίδευση γραμμικού δικτύου

8711.3Μη γραμμικά νευρωνικά δίκτυα

8911.3.1Εκπαίδευση μη γραμμικού δικτύου

9012Προηγμένες τεχνικές εκπαίδευσης νευρωνικών δικτύων

92Νευρωνικά δίκτυα στον έλεγχο βιομηχανικών ρομπότ

9213Εισαγωγή

9313.1Νευρωνικά δίκτυα στο ρομποτικό έλεγχο

9413.1.1Επίπεδο σχεδιασμού

9613.1.2Επίπεδο εκτέλεσης

9714Έλεγχος Ρομπότ

10014.1Προσδιορισμός θέσης τελικού στοιχείου δράσης

10114.1.1Ο συντονισμός της κάμερας του ρομπότ, είναι προσέγγιση της λειτουργίας

10614.2Δυναμική του ρομποτικού βραχίονα

11014.3Κινητά ρομπότ

11014.3.1Πλοήγηση βασιζόμενη σε πρότυπο

11214.3.2Έλεγχος βασιζόμενος σε αισθητήρες

114ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΩΝ ΝΕΥΡΩΝΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΣΤΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ

11415Ρομποτική

11415.1Εφαρμογή της Τεχνητής Νοημοσύνης στη Ρομποτική

11515.1.1Παραδείγματα ρομπότ

12015.1.2Νευρωνικό δίκτυο για τα Java Lego ρομπότ

12815.2Νευρωνικός έλεγχος ενός ρομπότ πυρόσβεσης

12815.2.1Εισαγωγή

13015.2.2Ο νευρωνικός ελεγκτής

13115.2.3Το δίκτυο του ρομπότ “DAISY”

13415.2.4Εκπαίδευση

13615.2.5Πειραματικό μέρος

14015.3Όραση με νευρωνικά δίκτυα για την καθοδήγηση ρομπότ

14015.3.1Εισαγωγή

14215.3.2Αρχιτεκτονική του δικτύου

14315.3.3Εκπαίδευση του δικτύου

15715.3.4Βελτίωση της απόδοσης με τη χρήση μετασχηματισμών

16015.3.5Αποτελέσματα και σύγκριση

16315.3.6Περίληψη

164Βιβλιογραφία

ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ

Εισαγωγή

Η Ρομποτική ως ερευνητική πλατφόρμα κα τεχνολογία εφαρμογής γνωρίζει μεγάλη άνθιση και αποδοχή εδώ και τρεις δεκαετίες. Η εποχή που διανύουμε μπορεί να θεωρηθεί ως η ωρίμανση και ενηλικίωση της και αυτό φαίνεται τόσο από τις εφαρμογές και την εξάπλωση της, όσο και από τα ερευνητικά αποτελέσματα. Προηγμένες ερευνητικά και τεχνολογικά χώρες, έχουν αναπτύξει και συνεχίζουν να στηρίζουν την έρευνα και τις εφαρμογές τις Ρομποτικής τόσο με οριζόντιες όσο και με κάθετες δράσεις. Οι λόγοι έχουν να κάνουν, τόσο με τα οικονομικά οφέλη για τις εθνικές τους οικονομίες, που προκύπτουν από την αυτοματοποίηση και με τον εν γένει εκσυγχρονισμό της παραγωγής, όσο και με τις προσδοκίες και προοπτικές που τροφοδοτούνται από τα αποτελέσματα σε επιστημονικό επίπεδο.

Ένας άλλος λόγος για την εξάπλωση της Ρομποτικής, είναι η στενά εξαρτημένη και αλληλεπιδραστική σχέση της με τεχνολογίες αιχμής όπως η Πληροφορική, η Ηλεκτρονική, τα Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου και Τεχνητής Νοημοσύνης, η Τεχνολογία Αισθητήρων κ.α., η οποία λειτουργεί πολλαπλασιαστικά αλλά και πυροδοτεί εξελίξεις.

Οι εφαρμογές της Ρομποτικής είναι ιδιαίτερα δημοφιλείς στις μέρες μας. Αρκετά συχνά, τα Μέσα Μαζικής Επικοινωνίας, αναφέρονται σε επιτεύγματα ερευνητικών εργαστηρίων, ενώ πολυάριθμες ερευνητικές ομάδες ασχολούνται με έργα υψηλών απαιτήσεων και προσδοκιών.

Μία σύντομη ιστορική αναδρομή, καταδεικνύει ότι η πρόθεση δημιουργίας ανθρωπομορφικών πρωτόγονων ρομπότ, υπήρχε από την αρχαιότητα, είτε μέσα στη μυθολογία πολλών λαών, είτε μέσα από τη δημιουργία αυτόματων μηχανισμών, με ή χωρίς ανθρώπινη μορφή. Στα “ρομπότ” αυτά, παρατηρούνται ομοιότητες στη σύλληψη, στη λειτουργία και στη χρήση, γεγονός που δηλώνει ότι πρέπει να είχαν επιχειρηθεί κάποιες προσπάθειες.

Η τρέχουσα τάση της Ρομποτικής, είναι η ολοκλήρωση προηγμένων αισθητηρίων συστημάτων, η προσαρμοστικότητα κα η αντίληψη σε διάφορες συνθήκες περιβάλλοντος, η λήψη αποφάσεων στα περιβάλλοντα αυτά, η αυτονομία, δηλαδή η λειτουργία “κατ’ εικόνα και ομοίωση” του ανθρώπου.

Η εμφάνιση των ρομπότ

Τον 3ο αιώνα π.Χ. σύμφωνα με ιστορικά στοιχεία, κατασκευάστηκε ο πρώτος μηχανικός άνθρωπος από τον Πτολεμαίο τον Φιλάδελφο, Φαραώ της Αιγύπτου ενώ τον 18ο αιώνα ο Γάλλος μηχανικός J.de Vaucanson και οι Ελβετοί P. Jauck Drau και ο υιός του Anrie Drau, κατασκεύασαν μηχανικούς ανθρώπους που έπαιζαν μουσική, έγραφαν, ζωγράφιζαν και χόρευαν.

Η πρώτη ωστόσο εμφάνιση των ρομπότ ως ανθρωπόμορφες κατασκευές, μπορεί να αναζητηθεί στη μυθολογία διάφορων λαών. Στην Ιλιάδα, αναφέρεται η ύπαρξη κάποιων “χρυσών σκλάβων”, οι οποίοι υποβοηθούσαν τον Ήφαιστο, να περπατάει. Ο Ήφαιστος ήταν ο θεός της φωτιάς και ένα από τα τεχνητά όντα που είχε δημιουργήσει, ήταν ο Τάλως, ένας μεταλλικός γίγαντας –από χαλκό- έμψυχος και άτρωτος (Εικόνα 1.1.). Ο Τάλως είχε σαν αποστολή του, την προστασία της Κρήτης από τους εχθρούς, τη μεταφορά των εντολών / διαταγών του βασιλιά Μίνωα στους υπηκόους του και την επίλυση των διαφορών τους. Ο μύθος του Τάλου, είναι χαρακτηριστικός γιατί δίνει τις αντιλήψεις των αρχαίων για τις ανθρωπόμορφες μηχανές οι οποίες ήταν στην υπηρεσία ανθρώπων ή θεών. Ενδιαφέρον παρουσιάζει το φάσμα των εργασιών που εκτελούσαν τα προϊστορικά “ρομπότ”. Παρατηρείται μια σύμπτωση με τις σημερινές χρήσεις των ρομπότ (βαριές κατασκευές και μηχανουργικές εργασίες, υποβοήθηση ατόμων με κινητικές δυσκολίες, μεταφορά εντολών, λήψη αποφάσεων με διασταύρωση πληροφορίας από βάσεις κανόνων).

Εικόνα 1.1. Ο μυθικός Τάλως

Όσον αφορά τη λέξη ρομπότ (robot) εμφανίστηκε για πρώτη φορά από τον Τσέχο σκηνοθέτη Karel Capek στο έργο του RUR (Rossom’s Universal Robots) που παρουσιάστηκε για πρώτη φορά στο Παρίσι το 1922. Στην τσέχικη και ρώσικη γλώσσα, τα πλάσματα αυτά ονομάζονταν robotnik από τη λέξη robota, που σημαίνει “καταναγκαστική εργασία” και “αγγαρεία”.

Εικόνα 1.2. Karel Capek

Το 1939 ο Isaac Asimov, έγραψε τα πρώτα μυθιστορήματα επιστημονικής φαντασίας με θέμα τα ρομπότ, τα οποία αποκαλεί droids και έκανε διάσημη τη λέξη Ρομποτική (robotics). Οι ακόλουθοι “Τρεις Νόμοι της Ρομποτικής” διατυπώθηκαν από τον Asimov το 1942:

· Ένα ρομπότ δεν μπορεί να τραυματίσει ένα ανθρώπινο ον, ή εξαιτίας αδράνειας του, να επιτρέψει τον τραυματισμό ενός ανθρώπινου όντος.

· Ένα ρομπότ πρέπει να υπακούει στις εντολές οι οποίες του δίνονται από ανθρώπινα όντα εκτός από αυτές που έρχονται σε αντίθεση με τον πρώτο νόμο.

· Ένα ρομπότ πρέπει να προστατεύει την ύπαρξη του, εφόσον αυτή η προστασία δεν έρχεται σε αντίθεση με τον πρώτο ή τον δεύτερο νόμο.

Εικόνα 1.3. Isaac Asimov

Ιστορικά, οι ρομποτικοί χειριστές (robot manipulators) εμφανίστηκαν για πρώτη φορά με την έναρξη της πυρηνικής εποχής. Οι πρώτοι ρομποτικοί χειριστές ήταν γνωστοί ως τηλεχειριστές (teleoperators), και επέτρεπαν σε έναν χρήστη, να εκτελεί μια διεργασία αργά, από μία ασφαλή απόσταση, παραδείγματος χάριν να διαχειρίζεται ραδιενεργά υλικά. Ο πρώτος αυτόματος τηλεχειριστής με ηλεκτροτροφοδότηση, αναπτύχθηκε το 1947. Ο τηλεχειριστής είχε σχεδιαστεί έτσι ώστε ο χρήστης να έχει έλεγχο της συσκευής από μια μονάδα “κυρίου” (master unit), δηλαδή ο τηλεχειριστής επαναλάμβανε τις κινήσεις του χρήστη. Ο πρώτος χειριστής δεν είχε καθόλου ανατροφοδότηση δύναμης (force feedback) συνεπώς διεργασίες όπως η περιστροφή ενός γαλλικού κλειδιού ή η τοποθέτηση αντικειμένων σε επιφάνειες κατεργασίας ήταν δύσκολες στην εκτέλεση τους. Το 1948 η General Electric ανέπτυξε έναν τηλεχειριστή (ονομαζόμενο Handy Man), ο οποίος παρείχε ανατροφοδότηση δύναμης, επιστρέφοντας στη μονάδα “σκλάβο” τις δυνάμεις που αισθανόταν ο χειριστής.

Εικόνα 1.4. Handy-Man

Αργότερα, η βασική αρχή του τηλεχειριστή, επανεισήχθηκε από τη General Electric, με τη βοήθεια του χειριστή Man-Mate, που επέτρεπε στον χειριστή να μετακινεί βαριά αντικείμενα ή επικίνδυνα, με μικρές ανυψωτικές μηχανές και μετέφραζε την πληροφορία των ανυψωτικών μηχανισμών σε σήματα για τον χειριστή. Ο χρήστης είχε επίσης την αίσθηση του έργου που πραγματοποιούνταν μέσω της ανατροφοδότησης της δύναμης στον ανυψωτικό μηχανισμό.

Παρά το γεγονός ότι ο τηλεχειριστής ελεγχόταν από άνθρωπο, τα σημερινά ρομποτικά συστήματα ελέγχου με υπολογιστή, έχουν τις ρίζες τους στις αριθμητικά ελεγχόμενες μηχανές. Το M.I.T. παρουσίασε την πρώτη αριθμητικά σερβοελεγχόμενη αλεστική μηχανή (Numerically Servo-Controlled Milling Machine) το 1953. Η πληροφορία για τις διαστάσεις του προς άλεση αντικειμένου, αποθηκεύονταν σε ψηφιακή μορφή, πάνω σε μία χαρτοταινία και ένα οπτικό κύτταρο, μετέτρεπε τις οπές της χαρτοταινίας σε σήματα, που τελικά έλεγχαν την αλεστική μηχανή. Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό της νέας αυτής τεχνολογίας, ήταν ότι η διαφοροποίηση στα εργαλεία για την παραγωγή μιας νέας μονάδας προϊόντος, απαιτούσε ελάχιστο πρόσθετο έργο, πέραν της εισαγωγής μιας νέας χαρτοταινίας στο μύλο. Η εφαρμογή αυτή, αποτέλεσε την έναρξη της ευέλικτης ανταλλαγής εργαλείων, όπου μια μηχανή επαναπρογραμματιζόταν απλά και γρήγορα, για την εκτέλεση πολλών έργων.

Εικόνα 1.5. Αριθμητικά σερβοελεγχόμενη αλεστική μηχανή του ΜΙΤ

Ο Ernst, στη διατριβή του με τίτλο “A Computer Operated Mechanical Hand”, ενσωμάτωσε τις δυο τεχνολογίες. Σε αυτή τη διατριβή, εξεταζόταν ένας τηλεχειριστής εξοπλισμένος με αισθητήρες αφής. Ο χειριστής ήταν συνδεδεμένος με έναν υπολογιστή, προκειμένου να εκτελέσει έργα, μετά από επεξεργασία της πληροφορίας αφής που ελάμβανε από τους αντίστοιχους αισθητήρες. Η συσκευή αυτή, που ονομάζονταν ΜΗ-1, μπορούσε να “αισθανθεί” κύβους και να χρησιμοποιήσει την πληροφορία αυτή, προκειμένου να τους τοποθετήσει σε μια στοίβα, χωρίς την βοήθεια κάποιου ανθρώπου.

Ο χειριστής που αναπτύχθηκε από τον Ernst, οδήγησε στη δημιουργία ρομπότ, τα οποία ήταν ικανά επαναλαμβάνουν έναν αριθμό προκαθορισμένων κινήσεων έπ’ άπειρον. Αυτά τα ρομπότ περιορισμένων ακολουθιών κινήσεων (limited sequence robots), μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στην εκτέλεση έργων ανάκτησης και τοποθέτησης (pick-and-place) όπως περιγράφτηκε από τον Potter. Οι εργασίες ανάκτησης και τοποθέτησης πρέπει να είναι σαφώς καθορισμένες, τα εισερχόμενα κομμάτια πρέπει να έχουν προελεγχθεί και να τοποθετούνται από το ρομπότ με συγκεκριμένο τρόπο, για την διασφάλιση της ομοιομορφίας. Τα ρομπότ αυτά, χρησιμοποιούνται μέχρι και σήμερα, για εργασίες όπως η μεταφορά υλικών, το πακετάρισμα και η απλή συναρμολόγηση. Η χρήση τους όμως, περιορίζεται από τον αριθμό των κινήσεων που μπορούν να εκτελέσουν, ενώ προϋποθέτει σχεδόν τέλειες συνθήκες εργασίας, κάτι που όμως συμβαίνει σπάνια.

Το 1962, οι Tomovic και Boni, ανέπτυξαν ένα ρομποτικό άκρο με αισθητήρες πίεσης, το οποίο είχε τη δυνατότητα προσδιορισμού του μεγέθους αλλά και του βάρους αντικειμένων. Συνεχίζοντας όμως, οι Reswick και Meyler, ανέπτυξαν μια συσκευή για τετραπληγικούς, η οποία τους έδινε τη δυνατότητα να χειρίζονται αντικείμενα. Το 1963, ο Roberts, παρουσίασε την δυνατότητα επεξεργασίας ψηφιακών εικόνων με τη βοήθεια ομογενών μετασχηματισμών, γεγονός το οποίο συνέβαλλε στην ενσωμάτωση οπτικών πληροφοριών στο βρόγχο ελέγχου του ρομπότ. Ο McCarthy, το 1966 στο Εργαστήριο Τεχνητής Νοημοσύνης του Stanford (Stanfords’ Artificial Intelligence Laboratory - SAIL), ανέπτυξε ένα ρομποτικό χειριστή με ακοή, όραση και αφή, χρησιμοποιώντας μικρόφωνα, κάμερες και αισθητήρες αφής, ο οποίος μπορούσε να αναγνωρίσει προφορικές εντολές και να ανταποκρίνεται ανάλογα.

Περαιτέρω εξελίξεις στην όραση με υπολογιστή (computer vision), έγιναν από τον Wichman το 1967. Το 1968, ο Pieper, ανέπτυξε μια τεχνική για την απόκτηση μαθηματικών λύσεων στο αντίστροφο κινηματικό πρόβλημα, χρησιμοποιώντας τη θεωρία αλυσίδων κλειστού βρόγχου και ομογενών μετασχηματισμών. Τέλος το 1971, οι Kahn και Roth, έκαναν τη δυναμική ανάλυση και πραγματοποίησαν τον έλεγχο ενός περιορισμένου βραχίονα, χρησιμοποιώντας έλεγχο σχεδόν ελάχιστου χρόνου (bang-bang ή near-minimum time control).

Μια από τις πρώτες εφαρμογές των χειριστών, υπήρξε η εγκατάσταση υποθαλάσσιων καλωδίων, με χρήση μηχανικών βραχιόνων προσαρτημένων σε υποβρύχιο όχημα. Στη δεκαετία του ’70, ο “γρίφος άμεσης παράνοιας” (instant insanity puzzle), όπου τέσσερις κύβοι με όψεις διαφορετικών χρωμάτων, πρέπει να συσσωρευτούν κατακόρυφα ώστε να μην εμφανίζονται ίδια χρώματα σε καμία πλευρά της στήλης, επιλύθηκε στο Πανεπιστήμιο του Stanford, με τη βοήθεια ενός ρομπότ εξοπλισμένου με ψηφιακή κάμερα τηλεόρασης και μικροϋπολογιστή. Στην Ιαπωνία, ο Inoue υπήρξε ο πρώτος που δημιούργησε μία άρθρωση σταθερής ροπής, περιστρέφοντας έναν στρόφαλο σταθερής ροπής και χρησιμοποιώντας οπτική ανάδραση δύναμης. Τον ίδιο χρόνο, ο Will στην IBM, ανέπτυξε έναν βραχίονα με αισθητήρες δύναμης και αφής, για την συναρμολόγηση μιας γραφομηχανής, αποτελούμενης από 20 κομμάτια.

Την ίδια χρονιά, στην Ιαπωνία, ο Ejiri και οι συνεργάτες του, ανέπτυξαν ένα ρομπότ, το οποίο μπορούσε αυτόματα να συναρμολογήσει μηχανουργικά κατεργασμένα αντικείμενα, από επίπεδα σχέδια. Ακολουθώντας την εργασία του Inoue, ο Paul, ανέπτυξε ένα σύστημα στο οποίο οι αρθρώσεις του ρομπότ επιλέγονταν αυτόματα από τον υπολογιστή και ενεργοποιούνταν στο χώρο των δυνάμεων αντί των θέσεων, ανταποκρινόμενο στη διεύθυνση συμμόρφωσης (direction of compliance).

Καθώς η τεχνολογία εξελισσόταν, ο Flatau τεκμηρίωσε την άποψη ότι οι χειριστές αποτελούν ένα βιώσιμο τρόπο επέκτασης των ικανοτήτων επιδεξιότητας των ανθρώπων ανεξαρτήτως του μήκους του βραχίονα. Το 1974, ο Bejczy, στο Jet Propulsion Laboratory (JPL), υλοποίησε μια τεχνική ελέγχου ροπής με τη βοήθεια υπολογιστή στον επεκταμένο βραχίονα Stanford, για εργασίες εξερεύνησης στο διάστημα. Αργότερα, οι Konstantinov και Zankov, κατέγραψαν τη βαθμιαία μεταβολή από τις συμβατικές διεργασίες σφυρηλάτησης μετάλλων, μέχρι τον πλήρη αυτοματισμό. Η εργασία τους, επικεντρωνόταν στη χρήση χειριστών για αυτοματοποιημένη μαζική παραγωγή, καθώς και στη χρήση βιομηχανικών ρομπότ σε γραμμή παραγωγής μικρής κλίμακας.

Το 1977, ο Drake και οι συνεργάτες του, περιέγραψαν μια μέθοδο, η οποία επέτρεπε σε μηχανές να εκτελέσουν πολλές εργασίες συναρμολόγησης γρήγορα, απλά και οικονομικά. Ένας ρομποτικός βραχίονας εκτελούσε τις κινήσεις προσκόμισης (fetching) αντικειμένων και εργαλείων αλλά και απομάκρυνσης ολοκληρωμένων συναρμολογημένων αντικειμένων με τη βοήθεια ελέγχου με υπολογιστή. Η διαδικασία αυτή, επεδείχθη στη συναρμολόγηση ενός εναλλάκτη αυτοκινήτου 17 κομματιών, χρησιμοποιώντας ένα ρομποτικό βραχίονα τεσσάρων βαθμών ελευθερίας, για την προσκόμιση κομματιών και εργαλείων. Το 1978, ο Favareto, περιέγραψε το σχεδιασμό, τη λειτουργία και τα χαρακτηριστικά ενός βιομηχανικού ρομπότ, επονομαζόμενου “POLAR 6000”, το οποίο αναπτύχθηκε για ενσωμάτωση ενός μετασχηματιστή ηλεκτροσυγκόλλησης σε ρομποτικό βραχίονα, και προσαρμόστηκε κατάλληλα για εφαρμογές σημειακής ηλεκτροσυγκόλλησης.

Η χρήση των ρομπότ στην επιθεώρηση αντικειμένων, συζητήθηκε από τον Kirsch, όπου οπτικοί αισθητήρες σε συνδυασμό με ρομπότ συνεχούς τροχιάς (continuous path) και έλεγχο υπολογιστή, επέτρεπαν την επιθεώρηση αντικειμένων και τη λήψη αποφάσεων, με καλύτερα αποτελέσματα από ότι οι άνθρωποι. Ένας ρομποτικός βραχίονας, τοποθετούσε μια κάμερα σε διάφορα σημεία επιθεώρησης για ένα αντικείμενο, και εκτελούσε εργασίες βιντεομέτρησης σε προγραμματισμένες θέσεις. Οι έλεγχοι διαστάσεων, ήταν εφικτοί χάρη στην επαναληψιμότητα του ρομπότ, ενώ η ακρίβεια τοποθέτησης στο παραπάνω σύστημα ήταν της τάξης των ±0.025cm.

Σε μια εργασία των Boykin και Warren, αναφέρθηκε ότι ως αποτέλεσμα της λήψης αυστηρότερων κανονισμών για τα επιτρεπτά όρια ραδιενέργειας από τους εργαζόμενους, μελλοντικές εργασίες συντήρησης, θα μπορούσαν να γίνουν από απομακρυσμένους (remote) χειριστές και από ρομποτικά συστήματα. Ένας από τους πλέον γνωστούς χειριστές σήμερα είναι το Σύστημα Απομακρυσμένου Χειριστή (Remote Manipulator System - RMS), τοποθετημένο πάνω στα διαστημόπλοια της NASA. Το RMS, είναι μηχανικό αντίτυπο του ανθρώπινου βραχίονα και έχει περιγραφεί από τον Borrowman. Όταν γίνεται πλήρης εκμετάλλευση του, το RMS, μπορεί να εκτελέσει διάφορες εργασίες, όπως το να μεταφέρει αστροναύτες από ένα σημείο σε κάποιο άλλο, αλλά και να επισκευάζει, να επανασταθμίζει και να περισυλλέγει δορυφόρους οι οποίοι δεν λειτουργούν σωστά.

Εικόνα 1.6. Remote Manipulator System – RMS, NASA

Καθώς η τεχνολογία εξελισσόταν, έγινε εμφανές ότι τα ρομπότ μπορούσαν να επιτύχουν ακόμα περισσότερα πράγματα. Οι Camera και Migliardi, πραγματεύτηκαν τις διαδικασίες συναρμολόγησης και χειρισμού από ρομποτικούς βραχίονες, καθώς και τις υποχρεωτικές ενέργειες ελέγχου ποιότητας, οι οποίες πρέπει να αποτελούν αναπόσπαστο τμήμα κάθε διαδικασίας συναρμολόγησης. Τα περισσότερα ρομπότ, έχουν την ικανότητα εκτέλεσης πολλαπλών εργασιών όπως η επιλεκτική ανάκτηση αντικειμένων, ο έλεγχος διαστάσεων, η δοκιμή συναρμολογημένων κομματιών και η διαλογή σε διάφορες κατηγορίες ποιότητας. Τα πλεονεκτήματα συνδυασμένης συναρμολόγησης και επιθεώρησης, με τον ίδιο ρομποτικό βραχίονα, καθώς και έλεγχος με υπολογιστή, είναι η βελτίωση της ποιότητας του προϊόντος και εξοικονόμηση χρόνου και χρήματος, με αποτέλεσμα την μείωση του κόστους παραγωγής.

Οι αυξημένες απαιτήσεις για ρομπότ και για εξοπλισμό αυτοματοποίησης, επέβαλαν την επέκταση του εύρους της ρομποτικής τεχνολογίας. Αρχικά, τα ρομπότ χρησιμοποιούνταν σε απλές εργασίες ανάκτησης και τοποθέτησης. Ωστόσο, με τη βελτίωση της μηχανολογίας, οι απαιτήσεις αυξάνονταν. Αυτό επέτρεψε να γίνουν πραγματικότητα νέα σχέδια ρομπότ και βραχιόνων.

Στο ίδιο χρονικό διάστημα, η Ιαπωνία, παρουσίασε εντυπωσιακή πρόοδο στον τομέα της ανάπτυξης ρομποτικών δομών και εφαρμογών. Το πρώτο ρομπότ που χρησιμοποιήθηκε στην Ιαπωνία, ήταν ένα Versatran, το οποίο αποκτήθηκε από την αυτοκινητοβιομηχανία Toyota το 1967. Αργότερα, η Kawasaki Heavy Industries σε συνεργασία με την Ultimate των Ηνωμένων Πολιτειών, ξεκίνησαν την κατασκευή ρομπότ το 1968.

Εικόνα 1.7. Versatran

Η ρομποτική “έκρηξη” της Ιαπωνίας, οφείλεται στη μεγάλη υποστήριξη της Ιαπωνικής κυβέρνησης και των άλλων βιομηχανιών και Πανεπιστημίων, η οποία τελικά κατέστησε την Ιαπωνία ως την πρώτη χώρα παγκοσμίως σε ρομποτικές εφαρμογές και πωλήσεις ανά τον κόσμο.

Ορισμοί

Για την κατανόηση της διάκρισης μεταξύ της Ρομποτικής και άλλων συναφών πεδίων, δίνονται οι παρακάτω ορισμοί της “μηχανοποίησης” και της “αυτοματοποίησης”:

Μηχανοποίηση (mechanization) είναι η χρήση μηχανών που αναλαμβάνουν μερικές από τις εργασίες που εκτελούσαν οι άνθρωποι ή τα ζώα.

Αυτοματοποίηση (automation) είναι η αυτοδιευθυνόμενη παραγωγική δραστηριότητα που είναι αποτέλεσμα του συνδυασμού της μηχανοποίησης και της υπολογιστικής ικανότητας. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα χρησιμοποιούν πληροφορία από ανάδραση έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η επιθυμητή λειτουργία.

Η έννοια της αυτοματοποίησης, ισοδυναμεί με την μηχανοποίηση και τον αυτόματο έλεγχο και επιπλέον, είναι εφοδιασμένη με ένα από τα χαρακτηριστικά: μεθοδολογία συστήματος, ικανότητα προγραμματισμού, ή ανάδραση.

Σύμφωνα με τον March, το ρομπότ ορίζεται ως μια ευέλικτη μηχανή η οποία ελέγχει τις δράσεις της σε μια ποικιλία εργασιών, χρησιμοποιώντας αποθηκευμένα προγράμματα. Η ευελιξία εξασφαλίζεται από τη δυνατότητα προγραμματισμού. Τα νοήμονα (ευφυή - intelligent) ρομπότ, μπορούν να θέσουν τους στόχους τους, να προγραμματίσουν τις δράσεις τους και να διορθώνουν τη λειτουργία τους, σύμφωνα με τις μεταβολές στο περιβάλλον τους.

Ένας πιο σύγχρονος ορισμός των ρομπότ, δόθηκε απο τον Διεθνή Οργανισμό Προτύπων (International Standards Organization-ISO): “Ένα βιομηχανικό ρομπότ είναι ένας αυτόματος, σερβοελεγχόμενος, ελεύθερα προγραμματιζόμενος, πολλών εφαρμογών, χειριστής, με αρκετούς άξονες, για την διαχείριση αντικειμένων, εργαλείων ή ειδικών συσκευών. Μεταβλητά προγραμματιζόμενες ενέργειες, καθιστούν δυνατή την εκτέλεση πολλαπλών έργων”.

Όσον αφορά τη Ρομποτική, ένας αναλυτικός και περιγραφικός ορισμός, δίνεται από τον McKerrow:

“Ρομποτική είναι το διεπιστημονικό πεδίο στο οποίο εμπλέκονται:

· ο σχεδιασμός, η κατασκευή/παραγωγή, ο έλεγχος και ο προγραμματισμός των ρομπότ,

· η χρήση των ρομπότ για την επίλυση προβλημάτων,

· η μελέτη των μηχανισμών ελέγχου, αίσθησης και των αλγόριθμων που χρησιμοποιούνται στον άνθρωπο, στα ζώα και τις μηχανές και

· η εφαρμογή αυτών των μηχανισμών και αλγόριθμων στα ρομπότ.”

Λόγοι χρήσης των ρομπότ

Η πρώτη εμπορική εφαρμογή ενός βιομηχανικού ρομπότ, έγινε το 1961, όταν ένα ρομπότ χρησιμοποιήθηκε στη φόρτωση και εκφόρτωση μιας μηχανής χυτηρίου (die casting). Πολλές από τις πρώτες ρομποτικές εγκαταστάσεις, αφορούσαν εφαρμογές όπου υπήρχε μεγάλος κίνδυνος ή δυσφορία για τους ανθρώπους, όπως για παράδειγμα ηλεκτροσυγκολλήσεις, βαφή και εργασίες χυτηρίων. Τα πρώτα αυτά ρομπότ, δεν εκτελούσαν τις εργασίες τους πιο οικονομικά από τους ανθρώπους. Όμως το γεγονός ότι οι άνθρωποι ήθελαν να αποφύγουν τις επικίνδυνες και δυσάρεστες χειρωνακτικές εργασίες, αποτέλεσε επαρκή δικαιολογία για τη χρησιμοποίηση τους. Με την εξέλιξη της ρομποτικής τεχνολογίας, το πεδίο εφαρμογών των ρομπότ στη βιομηχανία διευρύνθηκε και μαζί με αυτό και οι αιτιολογίες για τη χρήση τους.

Σήμερα έχει επικρατήσει ο όρος 4D, από το ακρωνύμιο των λέξεων Dull, Dirty, Dangerous και Difficult, (δηλαδή ανιαρό, ακάθαρτο, επικίνδυνο και δύσκολο), για να περιγράψει το είδος των εργασιών που ευνοείται η χρήση ρομπότ. Πέραν από αυτά, τα ρομπότ σήμερα χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που προσφέρουν σαφές οικονομικό πλεονέκτημα και καλύτερα αποτελέσματα έργου, σε σύγκριση με τον άνθρωπο.

Ένας άλλος λόγος για τη χρήση βιομηχανικών ρομπότ, είναι η αυξημένη παραγωγικότητα, η οποία οφείλεται στον ελαφρά ταχύτερο ρυθμό εργασίας του ρομπότ, αλλά κυρίως στην ικανότητα ενός ρομπότ να εργάζεται σχεδόν ακατάπαυστα, χωρίς διαλείμματα.

Πέρα από την οικονομία, τον περιορισμό των εργασιών 4D, και της αύξησης της παραγωγικότητας, τα ρομπότ χρησιμοποιούνται και σε εφαρμογές όπου η επαναληψιμότητα είναι σημαντική. Τα σημερινά ρομπότ δεν έχουν ικανότητες κρίσης, ευελιξίας ή επιδεξιότητας, όπως ο άνθρωπος. Παρέχουν όμως το ξεχωριστό πλεονέκτημα της ικανότητας εκτέλεσης επαναληπτικών έργων με μεγάλο βαθμό συνέπειας, το οποίο οδηγεί σε βελτιωμένη ποιότητα προϊόντος. Η βελτίωση στη συνέπεια είναι ουσιαστική για την αιτιολόγηση χρήσης ρομπότ σε εφαρμογές όπως η βαφή με ψεκασμό, η ηλεκτροσυγκόλληση και η επιθεώρηση αντικειμένων.

Αυτά τα τέσσερα πλεονεκτήματα (μειωμένο κόστος, αυξημένη παραγωγικότητα, καλύτερη ποιότητα και των 4D εργασιών), αποτελούν τους πρωτεύοντες λόγους χρήσης των βιομηχανικών ρομπότ στα σημερινά εργοστάσια. Μελλοντικά, το πλεονέκτημα της μεγάλης ευελιξίας, αναμένεται να παίξει ουσιαστικό ρόλο στη χρήση των ρομπότ. Καθώς τα ευέλικτα συστήματα παραγωγής και τα εργοστάσια πλήρους αυτοματοποίησης γίνονται πραγματικότητα, η ικανότητα προσαρμογής του ρομπότ σε μεταβολές του σχεδιασμού ενός προϊόντος, στην πολυμορφία των προϊόντων και σε παραλλαγές του περιβάλλοντος χώρου εργασίας, αποτελεί έναν διαρκώς αυξανόμενο σημαντικό λόγο χρήσης τους.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα από τη χρήση ρομπότ

Στην λίστα που ακολουθεί, παρουσιάζονται τα πιο συχνά αναφερόμενα ως πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ρομπότ, όπως έχουν καταγραφεί σε άρθρα περιοδικών και σε βιβλία:

Πλεονεκτήματα:

1) Ασφάλεια των εργαζομένων

i) Επικίνδυνο εργασιακό περιβάλλον

(a) Ραδιενέργεια

(b) Τοξικά αέρια

(c) Υψηλές θερμοκρασίες

ii) Επικίνδυνες εργασίες

(a) Φόρτωση και εκφόρτωση επικίνδυνων αντικειμένων

2) Ευελιξία παραγωγικής μονάδας

i) Μικρότερος χρόνος προσαρμογής σε αλλαγές της μονάδας

ii) Πιο εύκολη αντιμετώπιση των αλλαγών

iii) Υποστήριξη ανανεωτικών αλλαγών αντί της παλαίωσης

iv) Ικανότητα λειτουργίας σε δύσχρηστους χώρους τοποθέτησης

3) Υψηλότερη παραγωγικότητα

i) Λειτουργία επί 24ώρου βάσεως

ii) Μεγαλύτερη ταχύτητα λειτουργίας στις περισσότερες εφαρμογές

iii) Ελαχιστοποίηση σφαλμάτων που οδηγεί σε μείωση του αριθμού των απορριπτέων προϊόντων και των κατεστραμμένων μηχανών

iv) Ομοιομορφία στην ποιότητα των παραγόμενων προϊόντων

4) Δυνατότητα εργασίας υπό αντίξοες συνθήκες

i) Διαστημικές και υποθαλάσσιες επιδιορθώσεις ή έρευνες

ii) Χρήση σε ηφαίστεια, σήραγγες και άλλα σημεία

Μειονεκτήματα:

· Δυσκολία προγραμματισμού ανάλογα με την εφαρμογή

· Αντικειμενικά μικρή ταχύτητα λειτουργίας, ειδικά για την κατηγορία των σερβοελεγχόμενων συστημάτων συνεχούς τροχιάς

· Κόστος εγκατάστασης, συντήρησης και εκμάθησης

Κριτήρια τάσεων απόκτησης των ρομπότ

Τα προβλήματα που δημιουργούν οι επιπτώσεις της αυτοματοποίησης, έχουν συναντηθεί στις αρχές της βιομηχανικής επανάστασης αλλά και στην εποχή της πληροφορικής. Οι ρομποτικές εγκαταστάσεις, στην απλούστερη μορφή τους, είναι αντικαταστάσεις των χειρωνακτικών εργασιών από μηχανές. Λόγω της απουσίας απτών αποδείξεων, οι επιπτώσεις της εισαγωγής της ρομποτικής στις εργασιακές δομές, προσωρινά μπορούν μόνο να υποτεθούν. Συνεπώς, στην περίπτωση της αντικατάστασης ενός εργάτη από ένα ρομπότ, υπάρχουν δύο πιθανές εκδοχές:

· Μόνιμη ανεργία.

· Ανακατανομή εργασίας.

Και στις δύο περιπτώσεις, οι υπάλληλοι αντιμετωπίζουν αλλαγές στον οικονομικό και κοινωνικό τομέα, στο επίπεδο διαβίωσης και στην ικανοποίηση εργασίας.

Η εισαγωγή ενός ρομπότ σε μια θέση εργασίας απαιτεί μεταβολές του χώρου εργασίας, εγκατάσταση συνοδευτικών μηχανημάτων, εργαλείων κλπ. Πολλά από αυτά τα έξοδα είναι προφανή και συμπεριλαμβάνονται σε αναλύσεις αντικατάστασης εξοπλισμού. Ωστόσο, πολλά άλλα έξοδα δεν είναι προφανή και εν γένει αγνοούνται. Αυτό συνήθως συμβαίνει όταν θεωρούνται μόνο τα εσωτερικά προς την επιχείρηση έξοδα. Τα κύρια έξοδα που συνυπολογίζονται στις οικονομικές αναλύσεις αντικατάστασης εξοπλισμού είναι:

· Το κόστος του ρομπότ και των εξαρτημάτων.

· Το κόστος της εγκατάστασης, δηλ. το κόστος των εργατικών και υλικών για την τοποθέτηση, τις προετοιμασίες, τις διασυνδέσεις μεταξύ ρομπότ και περιφερειακών, την ανάπτυξη λογισμικού και την επικοινωνία με το περιβάλλον της βιομηχανίας.

· Το κόστος επαναδιάταξης, δηλ. το κόστος εργατικών και υλικών για τις ταινίες μεταφοράς κλπ.

· Το κόστος ειδικών εργαλείων, δηλ. το κόστος για ειδικές εργαλειοσυσκευές άκρου του βραχίονα και αλλαγές στο σχεδιασμό των εξαρτημάτων, αισθητήρων, σφιγκτήρων κλπ.

· Το έμμεσο εργατικό κόστος, δηλ. το κόστος επισκευής και συντήρησης.

· Το λειτουργικό κόστος προμηθειών, δηλ. το κόστος διευκολύνσεων και υπηρεσιών που απευθύνονται άμεσα στο ρομπότ και στον εξοπλισμό υποστήριξης.

· Το κόστος προμηθειών συντήρησης.

· Το κόστος έναρξης, δηλ. το κόστος παύσης εργασιών λόγω της εγκατάστασης.

· Οι κυριότερες απώλειες και το κοινωνικό κόστος που προκύπτουν από την εισαγωγή ενός ρομπότ στο χώρο εργασίας είναι:

· Φόρος κοινωνικής ασφάλισης, οποίος πληρώνεται από εργοδότη και εργαζόμενο.

· Φόρος μισθωτών υπηρεσιών, ο οποίος πληρώνεται από τον εργοδότη.

· Φόρος εισοδήματος κλπ. ο οποίος πληρώνεται από τον εργαζόμενο.

· Επίδομα ανεργίας, το οποίο πληρώνεται από κοινωνικό ταμείο.

· Σύνταξη στον εργάτη, η οποία πληρώνεται από κοινωνικό ταμείο.

· Ενδεχόμενο κόστος επανεκπαίδευσης.

Επομένως, η απόφαση αγοράς ενός ρομπότ, εμπλέκει μεγάλο αριθμό παραμέτρων και οικονομικών μεγεθών. Για τέτοιου είδους επενδύσεις, έχουν αναπτυχθεί διάφορα συστήματα υποστήριξης αποφάσεων (Decision Support Systems - DSS).

Βασικά χαρακτηριστικά των βιομηχανικών ρομπότ

Ένα βιομηχανικό ρομπότ, έχει τα παρακάτω χαρακτηριστικά:

· Αριθμός των βαθμών ελευθερίας (degrees of freedom)

· Χώρος εργασίας (work volume)

· Ακρίβεια (accuracy)

· Επαναληψιμότητα (repeatability)

· Ταχύτητα κίνησης (speed of motive)

· Μέγιστο φορτίο (load carrying capacity)

Σαν χώρος εργασίας ορίζεται ο χώρος μέσα στον οποίο ο βραχίονας μπορεί να χειριστεί το εργαλείο που βρίσκεται στο άκρο του. Το μέγεθος του χώρου εργασίας, εξαρτάται από τις διαστάσεις των μερών του βιομηχανικού ρομπότ, ενώ το σχήμα του χώρου εργασίας εξαρτάται από τη γεωμετρία του βραχίονα. Τυπική μορφή χώρου εργασίας ρομπότ δίνεται στην Εικόνα 1.8.

Εικόνα 1.8. Χώρος εργασίας ενός ρομπότ της Unimation

Η ακρίβεια κίνησης του ρομποτικού βραχίονα, εξαρτάται από τη χωρική ανάλυση, την ακρίβεια θέσης και την επαναληψιμότητα. Σαν χωρική ανάλυση, ορίζεται το μικρότερο βήμα κίνησης στο οποίο ο ρομποτικός βραχίονας μπορεί να διαιρέσει τον χώρο εργασίας του. Η χωρική ανάλυση, εξαρτάται από την ανάλυση (resolution) του συστήματος ελέγχου και από τις μηχανικές ανακρίβειες του συστήματος (διάκενο γραναζιών, ελαστική παραμόρφωση μερών βραχίονα, διαρροή υδραυλικών υγρών κ.α.)

Η ακρίβεια θέσης είναι η ικανότητα του βραχίονα, να οδηγήσει το εργαλείο σε κάποιο συγκεκριμένο σημείο βάσει του προγράμματος. Η ακρίβεια θέσης, μπορεί να οριστεί σαν το μισό της ειδικής ανάλυσης του συστήματος ελέγχου (αν υποθέσουμε ότι οι μηχανικές ανακρίβειες του βραχίονα είναι μηδέν).

Η ακρίβεια εξαρτάται από τη θέση του εργαλείου μέσα στο χώρο εργασίας, από το βάρος του φορτίου κ.λ.π.

Η επαναληψιμότητα, χαρακτηρίζει την ικανότητα του ρομπότ να επαναφέρει το εργαλείο σε ένα σημείο του χώρου εργασίας που είχε διδαχτεί μέσω του σταθμού διδασκαλίας. Πολλές φορές υπάρχει σύγχυση ανάμεσα σ’ αυτά τα δύο χαρακτηριστικά του ρομπότ και γι’ αυτό το λόγο, οι κατασκευαστικές εταιρίες όταν αναφέρονται στα χαρακτηριστικά των ρομποτικών συστημάτων αναφέρουν μόνο την επαναληψιμότητα.

Το μέγιστο φορτίο των σύγχρονων ρομπότ που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία, εξαρτάται από τη γεωμετρική διαμόρφωση του ρομπότ, το μέγεθος του βραχίονα και το σύστημα κινήσεως.

Δομή ρομποτικού συστήματος

Ένα σύγχρονο βιομηχανικό ρομπότ, είναι ένα πολύπλοκο ηλεκτρομηχανικό σύστημα και αποτελείται από τρία βασικά δομικά μέρη (Σχήμα 1.1.)

· Τον βραχίονα (χειριστή) που είναι το κινούμενο μηχανικό μέρος

· Τους κινητήρες, οι οποίοι ενεργοποιούν τις αρθρώσεις του Βραχίονα

· Το σύστημα ελέγχου

Εξωτερική

πηγή

ενέργειας

Μηχανικός

Ρομποτικός

Βραχίονας

Άκρο

εργασίας

Ελεγκτής

του Robot

Πρόγραμμα

Συσκευή

Διδασκαλίας

Σχήμα 1.1. Ρομποτικό Σύστημα

Ρομποτικός βραχίονας

Το μηχανικό σύστημα ενός ρομπότ, αποτελείται από τον βραχίονα (χειριστή ή μηχανικό χέρι), με το άκρο εργασίας (αρπάγη ή κάποιο άλλο εργαλείο) το οποίο είναι το κινούμενο μηχανικό τμήμα και τα στοιχεία δράσης (κινητήρες κλπ.) τα οποία ενεργοποιούν τις αρθρώσεις του χεριού.

Γενικά ένας ρομποτικός βραχίονας (robot manipulator), περιέχει το κυρίως σώμα, το χέρι (arm) και τον καρπό (wrist). Το σώμα του ρομπότ, είναι προσαρτημένο πάνω στη βάση και ο βραχίονας πάνω στο σώμα, ενώ ο καρπός είναι στο άκρο του βραχίονα.

Στον καρπό του ρομπότ, είναι προσαρτημένο το εργαλείο (tool). Ανάλογα με το είδος της βιομηχανικής εφαρμογής, σαν εργαλείο μπορεί να χρησιμοποιηθεί μία αρπάγη (gripper) η οποία θα ανοιγοκλείνει, ένα πιστόλι χρωματίσματος, μια κεφαλή συγκόλλησης ή ένα μηχανικό εργαλείο. Το εργαλείο μπορεί να αλλάζει αυτόματα κατά τη διάρκεια ενός κύκλου εργασίας.

Λόγω του ότι τα εργαλεία στερεώνονται στο τέλος του ρομπότ, ονομάζονται και άκρα εργασίας (end effector of arm tooling).

Οι σχετικές κινήσεις μεταξύ των μερών του σώματος, του βραχίονα και του καρπού, γίνονται μέσω αρθρώσεων (joints). Μια άρθρωση συνδέει δύο συνδέσμους.

Οι αρθρώσεις, οδηγούνται από κινητήρια συστήματα, τα οποία μπορεί να είναι ηλεκτρικά, πνευματικά ή υδραυλικά. Σε κάθε άρθρωση, υπάρχει ανεξάρτητο κινητήριο σύστημα το οποίο συνήθως δίνει μεταφορική ή περιστροφική κίνηση.

Ο συνδυασμός των κινήσεων του βραχίονα, προσδιορίζει τον τύπο της γεωμετρίας του βραχίονα. Βάσει της γεωμετρίας του βραχίονα, τα βιομηχανικά ρομπότ μπορούν να χωριστούν σε τέσσερις κατηγορίες:

· Ρομπότ ορθογώνιας διαμόρφωσης

· Ρομπότ κυλινδρικής διαμόρφωσης

· Ρομπότ σφαιρικής διαμόρφωσης

· Ρομπότ αρθρωτής διαμόρφωσης

Στο Σχήμα 1.2. φαίνεται η τυπική μορφή ενός βιομηχανικού ρομπότ αρθρωτής διαμόρφωσης και όλες οι κινήσεις του.

Σχήμα 1.2. Τυπική μορφή βιομηχανικού ρομπότ (Cincinnaty Milacron )

Στο αρθρωτό ρομπότ, οι αρθρώσεις του είναι ανάλογες αυτών του ανθρώπινου χεριού:

· ο ώμος,

· ο αγκώνας και

· ο καρπός

Ο καρπός, μπορεί να περιστρέφεται γύρω από τρεις άξονες:

· τον εγκάρσιο (κίνηση ανύψωσης - pith),

· τον κάθετο (κίνηση στροφής - Yaw) και

· τον διαμήκη (κίνηση κύλισης - roll)

Η κάθε άρθρωση του ρομποτικού βραχίονα (ή του καρπού), παρέχει ένα βαθμό ελευθερίας στην κίνηση του εργαλείου, που είναι στερεωμένο στο άκρο του καρπού. Ένα ρομπότ με “n” αρθρώσεις (ή με “n” άξονες κίνησης), περιέχει “n” βαθμούς ελευθερίας.

Ένα ρομπότ, για να μπορέσει να φτάσει σε κάποιο σημείο μέσα στο χώρο εργασίας του, με έναν επιθυμητό προσανατολισμό του άκρου εργασίας, πρέπει να έχει έξι βαθμούς ελευθερίας. Οι έξι κινήσεις που θα πραγματοποιεί, συνήθως χωρίζονται σε δύο ομάδες. Η πρώτη ομάδα περιλαμβάνει:

· Τις περιστροφές του σώματος (arm sweep)

· Τις περιστροφές του ώμου (shoulder swivel)

· Τις περιστροφές του αγκώνα (elbow extension)

και ονομάζονται κινήσεις θέσης. Με το συνδυασμό αυτών των κινήσεων ο βραχίονας μπορεί να μετακινηθεί σε οποιαδήποτε θέση μέσα στο χώρο εργασίας. Η δεύτερη ομάδα κινήσεων περιλαμβάνει:

· την ανύψωση (pitch)

· την στροφή (yaw)

· την κύλιση (roll)

που έχουν σχέση με τον καρπό. Ο συνδυασμός αυτών των τριών κινήσεων αναφέρεται ως προσανατολισμός και δίνει την δυνατότητα στον καρπό να προσανατολίσει το εργαλείο, όπως απαιτείται στην κάθε εργασία.

Γενικά στα βιομηχανικά ρομπότ, ο βραχίονας περιέχει τρεις βαθμούς ελευθερίας γραμμικής ή στροφικής κίνησης, ενώ ο καρπός του βραχίονα μπορεί να περιέχει έως τρεις περιστροφικές κινήσεις. Στο Σχήμα 1.3. παρουσιάζεται ο αρθρωτός βραχίονας KUKA και οι έξι άξονες που διαθέτει.

Σχήμα 1.3. Ο ρομποτικός βραχίονας KUKA με έξι άξονες

Οι αρθρώσεις του ρομπότ και το σύστημα συμβολισμού αρθρώσεων

Οι κινήσεις του ρομποτικού βραχίονα γίνονται μέσω των κινήσεων των αρθρώσεων, οι οποίες αναφέρονται και σαν βαθμοί ελευθερίας. Ένα τυπικό βιομηχανικό ρομπότ έχει 4 – 6 βαθμούς ελευθερίας. Σε κάθε άρθρωση όπως προαναφέραμε υπάρχει ανεξάρτητο κινητήριο σύστημα. Οι σύνδεσμοι (ράβδοι), συνδέουν δυο διαδοχικές αρθρώσεις του ρομποτικού βραχίονα.

Οι κινήσεις στις αρθρώσεις είναι βασικά γραμμικές (ή αλλιώς πρισματικές) και περιστροφικές. Διακρίνουμε τρία είδη περιστροφικών κινήσεων:

· Περιστροφική (rotational), στην οποία ο άξονας περιστροφής είναι κάθετος στους άξονες των δύο συνδέσμων

· Στρεπτική (twisting), στην οποία ο άξονας περιστροφής είναι παράλληλος προς τον άξονα και των δύο συνδέσμων

· Αναστροφική (revolute), στην οποία ο άξονας περιστροφής είναι παράλληλος προς τον σύνδεσμο εισόδου και κάθετος προς τον άξονα του συνδέσμου εξόδου.

Ο τύπος ενός ρομπότ με βάση τα συστήματα συντεταγμένων των αρθρώσεων, συμβολίζεται με τη σειρά των συμβόλων: L, R, T, V, τα οποία χαρακτηρίζουν τον τύπο των διάφορων αρθρώσεων, αρχίζοντας από τη βάση του βραχίονα και προχωρώντας προς τον καρπό. Για παράδειγμα, ένα αρθρωτό ρομπότ, εκτός από τις αρθρώσεις του καρπού, έχει τρεις περιστροφικές και συμβολίζεται σαν TTR ή VVR. Στον Πίνακα 1.1. δίνεται ο συμβολισμός για τις τέσσερις βασικές κατηγορίες των ρομπότ:

Α/Α

Κατηγορίες ρομπότ (βραχίονας και σώμα)

Σύμβολο

1

Καρτεσιανή διαμόρφωση

LLL

2

Κυλινδρική διαμόρφωση

TLL, LTL, LVL

3

Σφαιρική διαμόρφωση

TRL

4

Αρθρωτή διαμόρφωση

TRR, VVR

Πίνακας 1.1. Βασικές κατηγορίες ρομπότ και ο συμβολισμός τους

Το σύστημα συμβολισμού, μπορεί να επεκταθεί και να συμπεριλάβει τις κινήσεις του καρπού. ο συμβολισμός αρχίζει από την άρθρωση που είναι πιο κοντά στον βραχίονα και συνεχίζουμε προς το σημείο που εφαρμόζεται το εργαλείο (Πίνακας 1.2.).

Α/Α

Διαμόρφωση ρομπότ (καρπός)

Σύμβολο

1

Καρπός δύο αξόνων

RT

2

Καρπός τριών αξόνων

TRT

Πίνακας 1.2. Πίνακας διαμόρφωσης ρομπότ με κριτήριο τον καρπό και ο συμβολισμός τους

Τα εργαλεία των ρομπότ

Ο ρομποτικός βραχίονας, από μόνος του δεν έχει παραγωγικές δυνατότητες. Όταν όμως προσαρμόζεται στον βραχίονα κάποιο εργαλείο, τότε μετατρέπεται σε ένα αποδοτικό, παραγωγικό σύστημα. Το εργαλείο, για να εκτελέσει κάποια εργασία, προσαρμόζεται στο τέλος του βραχίονα. Ο όρος που χρησιμοποιείται για την περιγραφή του εργαλείου γενικά είναι “τελικό στοιχείο δράσης” (end of arm tooling) ή “άκρο εργασίας” (end effector). Όταν σαν εργαλείο χρησιμοποιείται ένας μηχανισμός ο οποίο ανοιγοκλείνει, τότε αναφέρεται σαν “αρπάγη” (gripper) (Εικόνες 1.9. και 1.10.).

Εικόνα 1.9. Ρομποτικός βραχίονας με άκρο εργασίας μια αρπάγη

Εικόνα 1.10. Ρομποτικός βραχίονας με άκρο εργασίας μια κάμερα

Η εξωτερική πηγή ενέργειας

Οι εξωτερικές πηγές ενέργειας που απαιτούνται για τη λειτουργία του ρομποτικού συστήματος, περιλαμβάνουν ηλεκτρική πηγή, για την τροφοδοσία του ηλεκτρονικού ελεγκτή και υδραυλική ή πνευματική πηγή, για την λειτουργία του βραχίονα και του άκρου εργασίας. Οι περισσότερες “αρπάγες” ενεργοποιούνται με πεπιεσμένο αέρα και μερικοί βραχίονες χρησιμοποιούν πνευματικές συσκευές για τις κινήσεις τους. Συνεπώς, για τα περισσότερα συστήματα, απαιτείται πηγή πεπιεσμένου αέρα.

Στους μεγάλους ρομποτικούς βραχίονες, που χρησιμοποιούνται υδραυλικά στοιχεία δράσης (actuators), απαιτείται υδραυλική πηγή ενέργειας για την κίνηση και σε ορισμένες περιπτώσεις πηγή πεπιεσμένου αέρα για την αρπάγη. Όλοι οι βραχίονες με ηλεκτρική κίνηση απαιτούν μόνο ηλεκτρική ενέργεια, αλλά κάποιο ποσοστό απαιτεί και πεπιεσμένο αέρα για τα εργαλεία.

Το σύστημα ελέγχου

Το σύστημα ελέγχου, αποτελείται από τον ελεγκτή, τον ηλεκτρονικό υπολογιστή και τη συσκευή της διδασκαλίας.

Ο χειριστής, μπορεί να ελέγχει το βιομηχανικό ρομπότ με το χειριστήριο (κουτί διδασκαλίας) και με την εισαγωγή προγραμμάτων στον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Το σύστημα ελέγχου, εκτός από τον έλεγχο κίνησης του βραχίονα, μπορεί να δίνει και εντολές ελέγχου στον τεχνολογικό εξοπλισμό της κυψέλης εργασίας (work cell).

Ο ελεγκτής του ρομπότ

Ο ελεγκτής, είναι το πιο πολύπλοκο από όλα τα δομικά μέρη του ρομποτικού συστήματος και η μονάδα με τις μεγαλύτερες μεταβολές στα συστήματα διαφόρων κατασκευαστών.

Ο ελεγκτής, είναι ένας υπολογιστής ειδικής χρήσης και έχει όλα τα στοιχεία που διαθέτουν οι υπολογιστές, όπως κεντρική μονάδα επεξεργασίας (Κ.Μ.Ε.), μνήμη και συσκευές εισόδου - εξόδου. Συγκεκριμένοι ελεγκτές, αποτελούνται από δίκτυο κεντρικών μονάδων επεξεργασίας, η κάθε μια από τις οποίες χρησιμοποιείται για διαφορετικό σκοπό στο σύστημα. Όλο το δίκτυο των κεντρικών μονάδων ελέγχου, έχει την πρωταρχική ευθύνη για τον έλεγχο του ρομποτικού βραχίονα και της κυψέλης εργασίας (work cell) στην οποία λειτουργεί. Στον ελεγκτή, χρησιμοποιείται ανάδραση από τον βραχίονα και δίνονται εντολές εξόδου στους σερβοκινητήρες για την αλλαγή της τρέχουσας θέσης ή της ταχύτητας, βασισμένες στο πρόγραμμα που φυλάσσεται στη μνήμη.

Εικόνα 1.11. Ελεγκτής ρομποτικού συστήματος

Εικόνα 1.12. Ελεγκτής ρομποτικού συστήματος

Ο ελεγκτής, μπορεί επίσης να επικοινωνεί με άλλες μηχανές ελεγχόμενες με ηλεκτρονικό υπολογιστή, με τα χειριστήρια διδασκαλίας, με τις μονάδες εξωτερικής μνήμης και με τις ψηφιακές συσκευές στην κυψέλη εργασίας. Ο κάθε ελεγκτής, είναι συνήθως εφοδιασμένος με μονάδα ψηφιακής απεικόνισης και μονάδα ελέγχου του συστήματος τροφοδότησης. Επιπλέον, σε πολλούς ελεγκτές χρησιμοποιούνται συστήματα εσωτερικής ψύξης.

Εικόνα 1.13. Κυψέλη εργασίας (work cell) ρομποτικού συστήματος

Οι σταθμοί διδασκαλίας

Οι σταθμοί διδασκαλίας στα σύγχρονα ρομπότ, μπορούν να περιλαμβάνουν χειριστήρια διδασκαλίας (teach pendants), τερματικά διδασκαλίας (teach terminals) ή πάνελ στο μπροστινό μέρος του ελεγκτή (controller front panels).

Σε μερικά ρομπότ, χρησιμοποιείται συνδυασμός αυτών των συσκευών για τον προγραμματισμό του ρομποτικού συστήματος, σε άλλα όμως χρησιμοποιείται μόνο μια συσκευή για τον προγραμματισμό του συστήματος. Οι σταθμοί διδασκαλίας, υλοποιούν τρεις σκοπούς:

· Ενεργοποιούν το ρομπότ και το προετοιμάζουν για τον Προγραμματισμό

· Γράφουν και διδάσκουν προγράμματα για την επίλυση συγκεκριμένων προβλημάτων παραγωγής

· Εκτελούν τα προγράμματα στις παραγωγικές κυψέλες εργασίας.

Η ανάπτυξη ενός προγράμματος περιλαμβάνει την πληκτρολόγηση των εντολών στην γλώσσα του ελεγκτή, τη φυσική κίνηση του ρομποτικού βραχίονα στην επιθυμητή θέση στην κυψέλη εργασίας και την εγγραφή αυτής της θέσεως στη μνήμη.

Εικόνα 1.14. Τερματικό διδασκαλίας ρομπότ Εικόνα 1.15. Τερματικό διδασκαλίας ρομπότ

Ταξινόμηση των βιομηχανικών ρομπότ

Η ταξινόμηση των βιομηχανικών ρομπότ, αποτελεί τον οδηγό για τη σύγκριση ρομπότ παρόμοιων ιδιοτήτων και είναι απαραίτητη για την επιλογή του κατάλληλου ρομπότ για μια συγκεκριμένη εφαρμογή. Μπορούμε να ταξινομήσουμε τα ρομπότ, με τα παρακάτω κριτήρια:

Ανάλογα με τη μηχανική δομή δηλαδή τη γεωμετρία του βραχίονα:

· Καρτεσιανά

· Κυλινδρικά

· Σφαιρικά

· Τύπου SCARA

· Αρθρωτά

1) Ανάλογα με τον τύπο κίνησης:

· Ρομπότ Σημείου – προς – Σημείο (point-to-point)

· Ρομπότ συνεχούς δρόμου (Continuous path)

2) Ανάλογα με τη μέθοδο ελέγχου:

· Ανοιχτού Βρόγχου

· Κλειστού Βρόγχου

3) Ανάλογα με τον βαθμό ευφυΐας του ρομποτικού συστήματος:

· Κατώτερης τεχνολογίας

· Μεσαίας τεχνολογίας

· Υψηλής τεχνολογίας

4) Ανάλογα με τον τύπο πηγής ενέργειας:

· Υδραυλικά ρομπότ

· Πνευματικά ρομπότ

· Ηλεκτροκίνητα ρομπότ

5) Ανάλογα με τις περιοχές εφαρμογών:

· Ρομπότ συναρμολόγησης

· Ρομπότ μη συναρμολόγησης

Γεωμετρικός σχηματισμός

Στους περισσότερους βιομηχανικούς ρομποτικούς βραχίονες, οι τρεις πρώτες αρθρώσεις, αυτές δηλαδή που βρίσκονται πλησιέστερα στη ρομποτική βάση, συνήθως χρησιμοποιούνται για την τοποθέτηση του άκρου του βραχίονα σε ένα σημείο στο χώρο, ενώ οι τελευταίες (τρεις ή λιγότερες) αρθρώσεις σχηματίζουν τον καρπό (wrist), ο οποίος είναι υπεύθυνος για τον προσανατολισμό του άκρου ή του τελικού στοιχείου δράσης. Ανάλογα με το σύστημα συντεταγμένων των τριών πρώτων βαθμών ελευθερίας τα ρομπότ ταξινομούνται σε: καρτεσιανά, κυλινδρικά, σφαιρικά και αρθρωτά. Εξάλλου ανάλογα με την εμφάνιση τους και τη γεωμετρία του συνολικού μηχανισμού, τα ρομπότ μπορούν να χαρακτηριστούν ως ανθρωπομορφικά, SCARA ή Gantry.

Μια εναλλακτική μορφή γεωμετρικού σχηματισμού είναι τα παράλληλα ρομπότ, τα οποία είναι κλειστές κινηματικές αλυσίδες (closed kinematic chains), και χρησιμοποιούνται σε εξειδικευμένες εφαρμογές. Ιδιαίτερο επίσης ενδιαφέρον, παρουσιάζουν τα ρομποτικά χέρια (robotic hands), τα οποία επίσης θεωρούνται ρομποτικοί μηχανισμοί και χρησιμοποιούνται για προηγμένους χειρισμούς αντικειμένων.

Υπάρχουν επίσης σύνθετα ρομποτικά συστήματα τα οποία δεν έχουν σταθερή βάση, αλλά μπορούν να κινούνται, αυξάνοντας με αυτό τον τρόπο τον ωφέλιμο χώρο δράσης τους. Τα κινητά (mobile) ρομπότ αποτελούν μια ξεχωριστή κατηγορία και συμπεριλαμβάνονται τα βαδίζοντα (walking) και τα κυλιόμενα (rolling).

Καρτεσιανά ρομπότ (Rectangular robots)

Είναι επίσης γνωστά ως ορθογραμμικά (rectilinear) ή ως ρομπότ ορθογωνίων, καρτεσιανών ή ορθογραμμικών συντεταγμένων. Κινούνται σε ευθείες γραμμές πάνω-κάτω και μέσα-έξω. Οι βαθμοί ελευθερίας του βραχίονα ορίζονται από το καρτεσιανό σύστημα των αξόνων. Τα ρομπότ αυτά συνήθως δεν διαθέτουν ελεγχόμενη λογική για συντονισμένη κίνηση τω αρθρώσεων. Ένα ορθογωνικό ρομπότ σχηματίζεται με τη συναρμολόγηση ενός οριζόντιου βραχίονα πάνω σε ένα κάθετο άξονα ανύψωσης, ο οποίος τοποθετείται σε γραμμική μεταφορική βάση, δημιουργώντας έτσι ένα ρομπότ X-Y-Z (Σχήμα α). Στα πλεονεκτήματα των καρτεσιανών ρομπότ συγκαταλέγονται η υψηλή διακριτική ικανότητα τους και η μεγάλη ακρίβεια, η εύκολη αποφυγή εμποδίων και συνεπώς η πρόληψη συγκρούσεων και η μη επίδραση φορτίων βαρύτητας τα οποία επιδρούν στην ακρίβεια, που συνεπάγεται ευκολία στον έλεγχο της κίνησης των αρθρώσεων. Τα βασικά μειονεκτήματα των καρτεσιανών ρομπότ είναι το μεγάλο δομικό πλαίσιο που διαθέτουν, το οποίο απαιτεί μεγάλη επιφάνεια δαπέδου για την εγκατάσταση, ο συγκριτικά περιορισμένος χώρος εργασίας, η δυσκολία συνεργασίας με άλλους ρομποτικούς βραχίονες σε κοινό χώρο εργασίας και η πολυπλοκότητα του μηχανικού σχεδιασμού για τρεις γραμμικές κινήσεις.

Κυλινδρικά ρομπότ (Cylindrical robots)

Είναι επίσης γνωστά ως ρομπότ κυλινδρικών συντεταγμένων ή ρομπότ στήλης (columnar robot). Δομούνται γύρω από μια στήλη που κινείται σύμφωνα με ένα κυλινδρικό σύστημα συντεταγμένων, στο οποίο η θέση κάθε σημείου προσδιορίζεται συναρτήσει της γωνίας περιστροφής της βάσης, της ακτινικής διάστασης και του ύψους από το επίπεδο αναφοράς. Ο χώρος εργασίας έχει κυλινδρική μορφή. Οι δυνατές κινήσεις αυτών των ρομπότ ονομάζονται έκταση και περιστροφή. Ένα κυλινδρικό ρομπότ σχηματίζεται από τη συναρμολόγηση ενός οριζόντιου βραχίονα με έναν κάθετο άξονα, τοποθετημένο πάνω σε μία περιστρεφόμενη βάση. Ο οριζόντιος βραχίονας, μπορεί να κινείται μέσα-έξω ή πάνω-κάτω στον κάθετο άξονα και να περιστρέφεται δεξιά ή αριστερά γύρω από τον κάθετο άξονα. Έτσι οι κινήσεις των τριών κύριων αξόνων καλύπτουν έναν κυλινδρικό τομέα (Σχήμα β). Τα βασικά πλεονεκτήματα των κυλινδρικών ρομπότ, είναι η πολύ μικρή εξάρτηση από τα φορτία βαρύτητας που δεν επηρεάζει την ακρίβεια του χειριστή και ο απλούστερος μηχανικός σχεδιασμός σε σχέση με τα καρτεσιανά ρομπότ. Στα μειονεκτήματα τους, συμπεριλαμβάνονται η περιορισμένη συμβατότητα συνεργασίας με άλλους χειριστές σε κοινό χώρο εργασίας και η μικρότερη ακρίβεια και διακριτική ικανότητα σε σύγκριση με τα ορθογωνικά ρομπότ.

Σφαιρικά ρομπότ (Spherical robots)

Τα ρομπότ αυτά είναι επίσης γνωστά και ως ρομπότ σφαιρικών συντεταγμένων ή πολικά (polar) ρομπότ. Εργάζονται σε σφαιρικό χώρο εργασίας, δηλαδή μπορούν να κινούνται περιστροφικά, να επεκτείνουν και να προσδίδουν κλίση στον βραχίονα τους. Είναι δηλαδή κυλινδρικά ρομπότ, με την προσθήκη στροφής (pitch) του άκρου. Ένας σφαιρικός ή πολικός ρομποτικός σχηματισμός, αποτελείται από ένα βραχίονα που κινείται μέσα-έξω μέσα στο εύρος προσέγγισης (reach stroke), που χρησιμοποιεί όμως μια κάθετη περιστροφική κίνηση αντί για κάθετη ευθύγραμμη. Επιπλέον ο άξονας μπορεί να περιστρέφεται αριστερά-δεξιά γύρω από τον κάθετο περιστροφικό άξονα. Με αυτό τον τρόπο οι κινήσεις των κυρίων αξόνων σχηματίζουν ένα τμήμα σφαίρας σαν χώρο εργασίας (Σχήμα γ). Τα βασικά πλεονεκτήματα των σφαιρικών ρομπότ είναι η μικρή πολυπλοκότητα δομής τους, το σχετικά μικρό βάρος τους, η δυνατότητα συνεργασίας τους με άλλα ρομπότ και εργαλειομηχανές σε κοινό χώρο εργασίας, η καλή διακριτική ικανότητα τους και η δυνατότητα μικρής διαδρομής των αρθρώσεων για την εκτέλεση πολλών κινήσεων. Τα μειονεκτήματα τους είναι η περιορισμένη δυνατότητα αποφυγής συγκρούσεων με εμπόδια, το μεγάλο σφάλμα τοποθέτησης εξαιτίας των περιστροφικών κινήσεων και το ότι απαιτούνται μεγάλες και μεταβλητές ροπές στη δεύτερη και στην τρίτη άρθρωση, προκαλώντας έτσι πρόβλημα εξισορρόπησης.

Αρθρωτά ρομπότ

Αυτά τα ρομπότ, διαθέτουν μόνο περιστροφικές αρθρώσεις και εκτελούν κινήσεις όμοιες με τις κινήσεις ενός ανθρώπου. Γι’ αυτό το λόγο, ρομπότ που διαθέτουν τέτοια γεωμετρία στις τρεις πρώτες αρθρώσεις τους, είναι γνωστά και ως ανθρωπομορφικά. Ένα αρθρωτό ρομπότ, έχει περιστροφικές αρθρώσεις οι οποίες καλούνται ώμος και αγκώνας, τοποθετημένες σε μια περιστρεφόμενη βάση, έτσι ώστε να παρέχονται τρεις κύριοι άξονες κίνησης (Σχήμα δ).

Σχήμα 2.1. Τύποι γεωμετρικών σχηματισμών ρομπότ

Ρομπότ τύπου SCARA

Τα ρομπότ τύπου SCARA (Selective Compliance Arm for Assembly – Ρομποτικός βραχίονας συναρμολόγησης με επιλεκτική συμμόρφωση), είναι ένας ρομποτικός σχηματισμός οριζόντιας περιστροφής ο οποίος σχεδιάστηκε στο Πανεπιστήμιο Yamamachi της Ιαπωνίας. Ο βραχίονας που έχει μέγεθος όσο και το τραπέζι εργασίας, σαρώνει μια περιοχή εξαρτημάτων και είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για εργασίες ανάκτησης και τοποθέτησης μικρών αντικειμένων (Εικόνα 2.1.). Ένα ρομπότ SCARA, είναι κατά βάση ανθρωπομο�