Tabulka 3 - Hodnoty dílčích koeficientů bezpečnosti [37]
Dílčí dvoustranné uchopení 1,2 – 1,7
třístranné uchopení 1,15
44 Další metodou je tzv. zpřesněný výpočet úchopné síly, při které se berou v potaz skutečné zátěžné síly působící na objekt, přičemž se výsledná potřebná síla úchopu určuje v neméně příznivém momentu manipulace. Do výpočtu je dále zahrnut zpřesněný koeficient bezpečnosti vypočtený na základě Tabulka 3 - Hodnoty dílčích koeficientů bezpečnosti:
Z tabulky jsou postupně určujeny koeficienty:
k1=1,1 - byla zvolena menší rezerva při 110% maximální nosnosti.
k2=1,5 - objekt je uchopován dvoustraně.
k3=1,2 - povrch objektu je neobrobený, avšak bez větších nerovností.
k4=1,1 - není předpokládáno vysoké kolísání pracovního média (stlačený vzduch).
k5=1,1 - objekt je velmi tuhý, stejně tak uchopení i robot.
k6=1,0 - pracovní podmínky jsou běžné.
Výsledný koeficient bezpečnosti je vypočten prostým součinem dílčích koeficientů:
𝑘 = 𝑘1 ∙ 𝑘2∙ 𝑘3 ∙ 𝑘4∙ 𝑘5 ∙ 𝑘6 = 1,1 ∙ 1,5 ∙ 1,2 ∙ 1,1 ∙ 1,1 ∙ 1,0 = 2,3958 ≅ 2,4 [−] (4.1)
Dále je zapotřebí zjištěný koeficient bezpečnosti použít při výpočtu minimálních potřebných sil chapadla při manipulaci s objektem. Jelikož při výpočtech silových rovnováh figuruje relativně velké množství sil v různých směrech, výpočty pro jednotlivé případy uchopení jsou rozděleny do třech částí – působení gravitační a setrvačných sil v osách kartézského souřadného systému. Úchopné síly v jednotlivých osách jsou počítány pro zachycení posouvajících sil a klopných momentů. Výsledná síla úchopu je pak dána algebraickým součtem dílčích úchopných pro každou osu lokálního souřadného systému.
45
4.2.1.1. Držení objektu – první případ uchopení
Jak již bylo zmíněno výše, odebíraný díl může ležet v pracovním prostoru robotu ve dvou polohách. Prvním případem, pro který je počítána velikost úchopných sil, je ležící poloha na široké základně (viz Obrázek 34).
a) Výpočet úchopné síly zachycující síly působící v ose x
Obrázek 38 - Silové poměry pro zachycení posouvající síly
Vzhledem k symetrii zatěžování platí: 𝑁1 = 𝑁3 (4.2)
Limitní rovnováhy bude dosaženo, pokud: 𝑁2 = 𝑁4 = 0 (4.3) Statická rovnováha v ose x je získána:
𝐹𝑧1 = 2𝑁𝑠𝑖𝑛𝛽 (4.4)
46 V ose y:
𝐹𝑈1´ = 2𝑁𝑐𝑜𝑠𝛽 (4.5)
𝑁 = 𝑘𝑚𝑎
2𝑠𝑖𝑛𝛽 (4.6)
Dosazením je zjištěno:
𝐹𝑈1´ = 2𝑘𝑚𝑎
2 𝑐𝑜𝑠𝛽
𝑠𝑖𝑛𝛽 = 𝑘𝑚𝑎 ∙ cot 𝛽 (4.7)
Obrázek 39 - Silové poměry pro zachycení klopného momentu
Zátěžný moment je dán:
𝑀𝑧1 = 𝑘𝑚𝑎𝑙 (4.8)
Momentová rovnováha k těžišti objektu:
𝑀𝑧1+ 2𝑁2sin (𝑙 −𝑏
2) − 2𝑁2sin (𝑙 +ℎ
2) = 0 (4.9)
𝑁2 = 𝑀𝑧1
2𝑏𝑠𝑖𝑛𝛽= 𝑘𝑚𝑎𝑙
2𝑏𝑠𝑖𝑛𝛽 (4.10)
Statická rovnováha v ose y:
𝐹𝑈1´´ = 2𝑁2𝑐𝑜𝑠𝛽 = 2𝑘𝑚𝑎𝑙
2𝑏 𝑐𝑜𝑠𝛽
𝑠𝑖𝑛𝛽 = 𝑘𝑚𝑎𝑙
𝑏𝑐𝑜𝑡𝛽 (4.11)
47 Celková úchopná síla v ose x je součtem:
𝐹𝑈1= 𝐹𝑈1´ + 𝐹𝑈1´´ =
= 𝑘𝑚𝑎 ∙ 𝑐𝑜𝑡𝛽 (1 +𝑙
𝑏) = 2,4 ∙ 0,585 ∙ 5 ∙ 𝑐𝑜𝑡𝑔(30,6) (1 +21,8
2,8) = 104,29 𝑁 (4.12)
b) Výpočet úchopné síly zachycující síly působící v ose y
Obrázek 40 - Silové poměry pro zachycení posouvající síly
Vzhledem k symetrii zatěžování platí: 𝑁1 = 𝑁3 (4.13)
Limitní rovnováhy bude dosaženo, pokud 𝑁2 = 𝑁4 = 0 (4.14) Zátěžná síla je rovna:
𝐹𝑧2 = 𝑘𝑚𝑎 (4.15)
Statická rovnováha v ose y je získána:
𝐹𝑈2´ = 𝑁1cos 𝛽 + 𝑁1𝑐𝑜𝑠𝛽 = 2𝑁1𝑐𝑜𝑠𝛽 (4.16)
V ose x:
2𝑁1𝑐𝑜𝑠𝛽 = 𝐹𝑧2 (4.17)
48 Dosazením je zjištěno:
𝐹𝑈2´ = 𝐹𝑧2 = 𝑘𝑚𝑎 (4.18)
Obrázek 41 – Silové poměry pro zachycení klopného momentu
Ze statické rovnováhy vyplývá, že 𝑁1 = 𝑁2 = 𝑁3 = 𝑁4 (4.19) Zátěžný moment je roven:
𝑀𝑧2 = 𝑘𝑚𝑎𝑙 (4.20)
Úchopná síla je dána:
𝐹𝑈2´´ = 2𝑁1𝑐𝑜𝑠𝛽 (4.21)
Momentová rovnováha k těžišti manipulovaného objektu:
𝑀𝑧2+ 2𝑁1𝑐𝑜𝑠𝛽 (𝑙 −𝑏
2) − 2𝑁1𝑐𝑜𝑠𝛽 (𝑙 +𝑏
2) = 0, (4.22)
Z toho vyplývá:
𝑀𝑧2 = 4𝑁1𝑐𝑜𝑠𝛽 ∙𝑏
2 (4.23)
Dílčí úchopná síla je zjištěna dosazením:
2𝑁1𝑐𝑜𝑠𝛽 = 𝑘𝑚𝑎 (𝑙
𝑏) = 𝐹𝑈1´´ (4.24)
49 Celková úchopná síla pro zachycení sil v ose y je získána součtem dílčích sil:
𝐹𝑈2= 𝐹𝑈2´ + 𝐹𝑈2´´ = 𝑘𝑚𝑎 (1 +𝑙
ℎ) = 2,4 ∙ 0,585 ∙ 5 ∙ (1 +21,8
2,8) = 61,67 𝑁 (4.25)
c) Výpočet úchopné síly zachycující síly působící v ose z
Obrázek 42 - Silové poměry pro zachycení posouvající síly
Opět zde platí: 𝑁1 = 𝑁2 = 𝑁3 = 𝑁4, tím pádem 𝑇1 = 𝑇2 = 𝑇3 = 𝑇4 (4.26) Velikost zátěžné síly a statická rovnováha v ose z:
𝐹𝑧3 = 𝑘𝑚(𝑎 + 𝑔) = 4𝑇 (4.27)
Třecí síla je zjištěna:
𝑇 = 𝜇𝑁 (4.28)
𝑘𝑚(𝑎 + 𝑔) = 4𝜇𝑁 (4.29)
𝑁 =𝑘𝑚(𝑎+𝑔)
4𝜇 (4.30)
50 Dosazením je získáno:
𝐹𝑈3´ = 𝐹𝑈3= 2𝑁𝑐𝑜𝑠𝛽 =
𝑘𝑚(𝑎+𝑔)
2𝜇 𝑐𝑜𝑠𝛽 = 2,4∙0,585(5+9,81)
2∙0,1 𝑐𝑜𝑠30,6 = 103,97 𝑁 (4.31)
Jelikož zátěžná síla prochází těžištěm, nepůsobí zde žádné momenty.
Celková úchopná síla pro uchopení zevnitř je součtem dílčích sil:
𝐹𝑈 = 𝐹𝑈1+ 𝐹𝑈2+ 𝐹𝑈3 = 104,29 + 61,67 + 103,97 = 269,93 𝑁 (4.32)
4.2.1.2. Držení objektu – druhý případ uchopení
a) Výpočet úchopných sil zachycujících síly působící v ose x
Obrázek 43 - Silové poměry pro zachycení posouvající síly
Předpoklad: 𝑁3 = 0 (4.33)
Zátěžná síla je rovna:
𝐹𝑧1 = 𝑘𝑚𝑎 (4.34)
Statická rovnováha v ose y:
𝑁1 = 𝑁2𝑐𝑜𝑠𝛽 (4.35)
51 𝑁2 = 𝑁1
𝑐𝑜𝑠𝛽 (4.36)
𝑁1𝑡𝑔𝛽 = 𝐹𝑧1 → 𝑁1 = 𝐹𝑧1
𝑡𝑔𝛽 (4.37)
Dosazením je získána dílčí úchopná síla:
𝐹𝑈1´ = 𝑁1 = 𝑘𝑚𝑎
𝑡𝑔𝛽 (4.38)
Obrázek 44 - Silové poměry pro zachycení klopného momentu
Vzhledem k symetričnosti úlohy je lze napsat:
𝑁2 = 𝑁3 → 𝑇2 = 𝑇3 (4.39)
Zátěžný moment je dán:
𝑀𝑧1 = 𝑘𝑚𝑎𝑙 (4.40)
Silová rovnováha v ose y:
𝑁1 = 2𝑁2𝑐𝑜𝑠𝛽 → 𝑁2 = 𝑁1
2 cos 𝛽 (4.41)
Z momentové rovnováhy k těžišti objektu vyplývá:
𝑀𝑧1 = 2𝑇2𝑟 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛽 (4.42)
Třecí síla je určena:
𝑇2 = 𝜇𝑁2 (4.43)
52 Dosazením je získáno:
𝑀𝑧1 = 2𝜇𝑁2𝑟 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛽 (4.44)
𝑘𝑚𝑎𝑙 = 𝜇𝑟𝑁1𝑠𝑖𝑛𝛽
𝑐𝑜𝑠𝛽 → 𝑁1 = 𝑘𝑚𝑎𝑙
𝑟𝜇∙𝑡𝑔𝛽 (4.45)
Velikost dílčí úchopné síly je tedy:
𝐹𝑈1´´ = 𝑁1 = 𝑘𝑚𝑎𝑙
𝑟𝜇𝑡𝑔𝛽 (4.46)
Sečtením dílčích sil je zjištěno:
𝐹𝑈1= 𝐹𝑈1´ + 𝐹𝑈1´´ =𝑘𝑚𝑎
𝑡𝑔𝛽 (1 + 𝑙
𝑟𝜇) =2,4∙0,585∙5
𝑡𝑔30,6 (1 + 14,8
160∙0,1) = 33,83 𝑁 (4.47) b) Výpočet úchopných sil zachycujících posouvající sílu ve směru osy y
Obrázek 45 - Silové poměry pro zachycení posouvající síly
53 Limitní rovnováhy bude dosaženo, pokud 𝑁2 = 𝑁3 = 0 (4.48) Ze silové rovnováhy v ose y vyplývá:
𝐹𝑧2 = 𝑘𝑚𝑎 = 𝑁 = 𝐹𝑈2´ (4.49)
Obrázek 46 - Silové poměry pro zachycení klopného momentu
Díky osové symetrii je opět zavedeno: 𝑁1 = 𝑁2 → 𝑇1= 𝑇2 (4.50) Zátěžný moment je roven:
𝑀𝑧2 = 𝑘𝑚𝑎𝑙 (4.51)
Rovnováha sil v ose y:
2𝑁2𝑐𝑜𝑠𝛽 = 𝑁1 (4.52)
Třecí síly jsou dány:
𝑇1 = 𝜇𝑁1 (4.53)
𝑇2 = 𝜇𝑁2 (4.54)
54 Momentová rovnováha k těžišti disku:
𝑀𝑧2 = 𝑇1𝑟 + 2𝑇2𝑟𝑐𝑜𝑠𝛽 (4.55)
𝑀𝑧2 = 2𝜇𝑁2𝑟𝑐𝑜𝑠𝛽 + 2𝜇𝑁2𝑟𝑐𝑜𝑠𝛽 = 3𝜇𝑁2𝑟𝑐𝑜𝑠𝛽 → 𝑁2 = 𝑘𝑚𝑎𝑙
4𝜇𝑟∙𝑐𝑜𝑠𝛽 (4.56)
Dílčí úchopná síla je získána:
𝐹𝑈2´´ = 2𝑁2𝑐𝑜𝑠𝛽 =2𝑘𝑚𝑎𝑙∙𝑐𝑜𝑠𝛽
4𝜇𝑟∙𝑐𝑜𝑠𝛽 = 𝑘𝑚𝑎𝑙
2𝜇𝑟 (4.57)
Výsledná síla tedy bude:
𝐹𝑈2= 𝐹𝑈2´ + 𝐹𝑈2´´ = 𝑘𝑚𝑎 (1 + 𝑙 2𝜇𝑟) =
= 2,4 ∙ 0,585 ∙ 5 ∙ (1 + 14,8
2∙0,1∙80) = 13,02 𝑁 (4.58)
c) Výpočet úchopných sil zachycujících sílu ve směru osy z
Obrázek 47 - Silové poměry pro zachycení posouvající síly
55 Opět je zavedeno:
𝑁2 = 𝑁3 → 𝑇2 = 𝑇3 (4.59)
Zátěžná síla je dána:
𝐹𝑧3 = 𝑘𝑚(𝑎 + 𝑔) (4.60)
Silová rovnováha v ose y je získána z rovnice:
𝑁1 = 2𝑁2𝑐𝑜𝑠𝛽 → 𝑁2 = 𝑁1
2𝑐𝑜𝑠𝛽 (4.61)
Třecí síly jsou:
𝑇1 = 𝜇𝑁1 (4.62)
𝑇2 = 𝜇𝑁2 (4.63)
Díky silové rovnováze v ose z je zjištěno:
𝐹𝑧3 = 𝑇1+ 2𝑇2 = 𝜇𝑁1+ 2𝜇𝑁2 = 𝜇𝑁1+ 𝜇𝑁1
cos 𝛽→ 𝑁1 = 𝐹𝑧
𝜇(1+cos−1𝛽) (4.64) Úchopná síla je dána:
𝐹𝑈3´ = 𝑁1 = 𝑘𝑚(𝑎+𝑔)
𝜇(1+cos−1𝛽) =2,4∙0,585(10+9,81)
0,1(1+cos−130,6) = 64,33 𝑁 (4.65)
Celková síla je opět daná součtem dílčích sil:
𝐹𝑈 = 𝐹𝑈1+ 𝐹𝑈2+ 𝐹𝑈3 = 33,83 + 13,02 + 64,33 = 111,18 𝑁 (4.66)
56
4.2.2. Kompenzace polohy
Jelikož je úloha založena na systému robotického vidění, je potřeba počítat s o několika většími řády nepřesností polohy dílů, než jsou běžné například při manipulaci s díly nacházejícími se ve vychystávacích pozicích. Problém by mohl vzniknout především během neoptimalizované části úlohy, nebo u efektorů s naváděcím trnem. Proto je nutné do chapadla implementovat systém na kompenzaci polohy, který umožní efektoru odebírat díly, které se nachází v jiné pozici, než do které najíždí koncový efektor průmyslového robotu [39]. Tento mezičlen umožní pracovat s nepřesně detekovanými díly (posun ve všech osách v řádech desetin až jednotek milimetrů, náklonem se v tomto případě není nutné zabývat), přičemž nejvýhodnějším řešením zde bude zvolit pneumatický kompenzátor SCHUNK AGE-S-XYZ-100-0 jehož pneumatický zámek po jeho aktivaci navrátí chapadlo do výchozí přesné polohy, kterou zaaretuje s přesností 0,1 mm. Technické parametry kompenzárotu jsou uvedeny na následujícím obrázku:
Obrázek 48 - Kompenzační jednotka [40] (upraveno)
57 Nejvíce se nepřesnost kamerového systému projeví ve vertikální ose, kompenzační jednotka od firmy SCHUNK je tedy v tomto případě nedostačující. Na kompenzaci ve svislé ose bylo zvoleno 40 mm, kdy se musí v nezatíženém stavu jednotka vrátit do výchozí polohy. To je řešeno pružinou, u které byl zvolen pracovní zdvih 40 mm a předpětí 30 N.
Tuhost pružiny je získána ze vztahu:
𝑘𝑝 =𝐹8−𝐹1
ℎ =70−30
40 = 1 𝑁𝑚𝑚−1 (4.67)
Pro střední průměr pružiny byla vybrána hodnota 30mm.
Předběžně je vypočítán průměr drátu se součinitelem bezpečnosti 𝑠𝑝 = 1,2:
Jako materiál byla zvolena ocel 14 260 s dovoleným namáháním v krutu 𝜏𝑘𝐻 = 735 𝑀𝑃𝑎 𝑑 = √8𝐹𝜋𝜏8𝐷𝑠𝑝
Dále je vypočten počet činných závitů pružiny:
𝑛 = 𝐺𝑑4
Výpočet deformace pružiny při předpětí a při maximálním zatížení:
𝑦1 = 𝐹1
𝑘 = 30
1,029= 29,15 𝑚𝑚 (4.75)
𝑦8 = 𝑦1 + ℎ = 29,15 + 40 = 69,15 𝑚𝑚 (4.76)
Délka nezatížené pružiny (při deformaci y8 zůstane mezi činnými závity vůle 0,1d a závěrné závity jsou zbroušeny na polovinu):
𝐿0 = 𝑦8+ (0,1 + 1)𝑑 ∙ 𝑛 + 𝑑𝑛𝑧 2 =
= 69,15 + (0,1 + 1)2,1 ∙ 7 + 2,11,5
2 = 86,9 𝑚𝑚 (4.77)
58
4.2.3. Výběr chapadla
Z výpočtu bylo zjištěno, že minimální síla pro stisk musí být 980,25N. S přihlédnutím k zadání se nabízí následující pneumatické chapadlo, které je na katedře k dispozici a které vyhovuje daným požadavkům.
Obrázek 49 - Charakteristiky a popis chapadla [41] (upraveno)
59 Další kritérium, které je nutno zkontrolovat, je délka čelisti (vzdálenost od chapadla, která je v tomto případě 40 mm) v závislosti na povolené úchopné síle. Z obrázku výše (Obrázek 49 - Charakteristiky a popis chapadla je patrné, že při dané délce je dovolená síla stisku cca 1000 N, což vypočteným silovým poměrům spolehlivě vyhovuje. Stejná kontrola u rozevírání nebude kontrolována, protože rozevírací síla je pouze zlomkem síly stisku čelistí. Maximální dovolené momenty a síly na úchopný prvek také nejsou kontrolovány, protože jsou oproti těm dovoleným zjevně menší.
4.2.4. Ovládací prvky
Pro finalizaci realizace koncového efektoru robotu je ještě nutné výkonnou část doplnit o řídicí, v tomto případě se bude zřejmě jednat o řízený rozvod tlakového vzduchu realizovaný elektricky ovládanými pneumatickými rozvaděči. Ten je směřovaný do chapadla, kompenzátoru polohy a do vývěvy v případě použití podtlakové úchopné hlavice.
Tato část úlohy byla zpracována pod dohledem vedoucího diplomové práce Ing. Marcelem Horákem, Ph.D., který má v této oblasti dlouholeté zkušenosti.
Ovládací prvky jsou umístěny na ramenu robotu k těmto účelům uzpůsobeným, upevněné a uzavřené v propojovací krabici ABB 1SL0826A00. Do ní jsou přivedeny kabely nesoucí elektrické signály vysílané robotem a rozvod tlakového vzduchu v podobě pneumatické hadice. Výstupem je pak řada hadic zajišťujících kompenzaci polohy a uchopování nebo upouštění manipulovaného předmětu.
Obrázek 50 - Řídicí prvky efektoru – pozice na robotu (vlevo), detailní pohled (vpravo)
60
4.3. Odkládací stanoviště
Dalším krokem v návrhu pracoviště je konstrukce odkládacího stanoviště, které je v tomto případě pouze prostředkem k odložení odebraných dílů. Je nutné vytvořit systém se zásobníkem (menší bedna, přepravka), který pojme několik desítek kusů pro laboratorní testování úlohy, odkud budou po naplnění zásobníku opět zakládány do přepravní bedny a to při držení součásti v obou polohách. Pro vyřešení následujících požadavku je možné použít následujících prostředků:
Varianta A: Dopravníkový pás
- Použitím dopravníkového pásu lze odložené díly přemístit do zásobníku při neměnné odkládací pozici.
- Toto řešení vyžaduje elektromotor a tím pádem vlastní napájení, v ideálním případě i senzoriku pro kontrolu funkčnosti.
Varianta B: Skluzový systém
- V tomto případě je využito gravitační síly, která za pomoci kluzných elementů přesune díl do připravené bedny.
- Sestavení tohoto systému nevyžaduje nákup nebo výrobu žádných elektronických součástí, které by se teoreticky mohly porouchat.
Varianta C: Přímé odkládání do zásobníku
- Průmyslový robot upouští díl přímo nad zásobníkem, které jsou po dopadu náhodně rozloženy v bedně.
- Hrozí odskočení dílu mimo bednu, nebo kolize s již vytvořenou kupou součástí.
Z těchto tří možností je použita varianta B, neboť je oproti ostatním více spolehlivá, vhodnější pro odkládání výrobku v obou případech držení a vůči variantě A je také levnější.
Mimo jiné se jedná o již zavedené řešení ve stávajícím podniku, vyměňovat již zavedený systém je bezpředmětné.
61 Obrázky se situacemi znázorněnými na následujících renderech byly vytvořeny až po vymodelování 3D modelu celého pracoviště. Díky tomu je zřetelně vidět, jak je skluzový systém koncipován a je možné postoupit k výpočtové části, jejíž situační schéma je znázorněno na obr. Obrázek 52 - Schéma nakloněné roviny.
Obrázek 50 - Odkládání objektu v prvním případě uchopení
Obrázek 51 - Odkládání objektu v druhém případě uchopení
V první řadě je nutné návrh podložit výpočty tak, aby nedošlo k zastavení lisované součásti na skluzu, nebo k jeho přílišnému zrychlování. Materiál použitý pro skluzové plochy je ocel válcovaná za studena pro dosažení vysoké životnosti, uvedené případy jsou zobrazeny na obrázcích Obrázek 50 a Obrázek 51, vytvořené v konstrukčním programu Autodesk Inventor.
Obrázek 52 - Schéma nakloněné roviny [42]
62 Cílem výpočtu je stanovit přijatelnou rychlost, se kterou díl opouští skluz, přičemž je vycházeno ze zákonu o zachování hybnosti:
1
2𝑚𝑣12 + 𝑚𝑔ℎ =1
2𝑚𝑣22 + 𝑚𝑔µ𝑙𝑐𝑜𝑠𝛼, (4.78)
Přičemž: l…………..délka skluzu (1,2 m)
µ………….koeficient tření (pro ocel-ocel µ=0,12 (Tabulka 2)) v1………..počáteční rychlost
v2………..rychlost na konci skluzu
Z této rovnice je vyjádřena rychlost v2: 𝑣2 = √𝑚𝑣1
2−12𝑚𝑔µ𝑙𝑐𝑜𝑠𝛼
𝑚 = √𝑣12−1
2𝑔µ𝑙𝑐𝑜𝑠𝛼
= √1
29,81 ∙ 0,12 ∙ 1,2 ∙ 𝑐𝑜𝑠22 = 0,81𝑚
𝑠 (4.79)
Z tohoto výpočtu bylo zjištěno, že rychlost na konci skluzu je rovna přibližně 0,81 m/s, což je při úhlu naklonění roviny 22° přijatelná hodnota. Celé odkládací stanoviště je podobně jako rám založeno na modulární konstrukci z hliníkových extrudovaných profilů (obr.Obrázek 53, sestavný výkres 2-DP S1500338-1-2-00) s děrovanou ocelovou deskou, které je využito pro upevnění vrchní části skluzu.
Obrázek 53 - 3D model odkládacího stanoviště
63
5. Softwarová část úlohy
Po zkonstruování efektoru a periferií je nutné uskutečnit propojení 3D skeneru s robotem a naprogramovat pohybovou a komunikační subrutinu. V následující podkapitole je stručně rozebráno komunikační rozhraní a protokol, který je pro propojení dvou součástí nutný. Kompletní činnost pracoviště se řídí podle následujícího vývojového diagramu:
Obrázek 54 - Vývojový diagram Bin Picking úlohy [43] (upraveno)
Z diagramu je zřejmé, že je chod rozdělen do několika hlavních částí. První je tzv. set state, tedy přepnutí do požadovaného stavu, což v současném případě znamená volbu vhodného programu, podle kterého se řídí vyhledávání součásti v kontejneru. U každého kroku se kontroluje úspěšnost jeho provedení a v případě vzniku chyby se spouští zvláštní sekvence. Po příkazu set state následuje část započínající skenovací proces. Nejprve je nutné zajistit pohled na obsah bedny bez překážek, to znamená přemístit průmyslový robot do takové polohy, kde nebude vadit ve výhledu. Po ověření správné polohy je vyslán příkaz
64 pro započetí skenování, u kterého se také kontroluje počet chyb. Pokud je nulový, následuje rozhodovací blok s otázkou, zda se jedná o první sken bedny. Pokud ano, do procesu se zařazuje její vyhledání. Následující blok je věnován vyhledání součásti, opět je potřebné vyslat příkaz na vyhledání součásti. Pokud je opět počet chyb roven nule a součást lze odebrat, efektor se nastaví do požadovaného stavu, přesune se na příslušnou pozici a uchopí součást. Pokud je odebrání úspěšné, přemístí jí na cílové místo, v opačném případě je součást upouštěna zpět do bedny a program se vrací do skenovací části, stejně jako v případě jejího úspěšného odebrání.
5.1. Komunikační část
Pro komunikaci v průmyslových prostředích se v zásadě používá několik hlavních komunikačních rozhraní, které jsou popsány ve skriptech Snímání a zpracování průmyslových dat [44], zde je však z rozsahových důvodů uvedeno pouze to rozhraní, které je použito, tedy ethernet. Ten je souhrnem technologií pro počítačové sítě typu LAN a MAN z velké části standardizovaných jako IEEE 802.3, které používají optické nebo staré koaxiální kabely, nebo kabely s kroucenou dvoulinkou, které jsou v současné době nejpoužívanější.
Ethernet byl vyvinut v roce 1975 firmou XEROX v jejích laboratořích PARC. Název vychází ze slova éter, což je pomyslná látka, která má umožňovat šíření elektromagnetického záření. V prvních verzích byl používán výhradně koaxiální kabel, přes který mohlo být najednou připojeno až několik desítek počítačů. Prototypová verze síťového propojení umožňovala přenosovou rychlost 2,94 Mb/s.
Ještě před koncem 20. století se stal Ethernet dominantní technologií pro kabelové lokální sítě často nesoucí označení LAN (Local Area Network), používané pro vzájemné propojení počítačů či různých zařízení nebo datová úložiště. Pokud je u zařízení deklarovaná LAN konektivita, v drtivě většině případů to znamená, že je propojeno konektorem RJ-45 pro Ethernetovou síť s přenosovou rychlostí 0,1 nebo 1 Gb/s.
Pro propojení již zmiňovaného 3D skeneru s počítačem je použito gigabitového ethernetu s komunikačním protokolem XML (Extensible Markup Language), který je díky své jednoduchosti a čitelnosti často využíván v případech, ve kterých se vyžaduje výměna informací mezi různými fyzickými zařízeními. Výhodou je podpora znakové sady Unicode, což umožňuje přenášet informace i v jiných jazycích, než pouze v angličtině. Díky XML tagům lze vyznačit v dokumentu význam jednotlivých částí a tím pádem dochází k větší kompresi informací.
65 Pro nakonfigurování XML protokolu byla použita šablona, u které byly upraveny a doplněny přenášené parametry jako volba programu, spoušť, souřadnice nalezeného dílu apod. Pro editaci byl použit program Notepad++, což je editor určený k úpravám zdrojových kódů.
Obrázek 55 - Ukázka prostředí editačního programu Notepad++
5.2. Programová část
Při zajištěné komunikaci robotu, počítače a 3D skeneru lze teprve realizovat fyzické přemisťování dílů. To se řídí podle diagramu znázorněném na obr. Obrázek 54 v duplexním9 systému, přičemž samotný program je uveden v následujících několika stranách.
Nejdůležitějšími částmi jsou binární proměnné s názvy FLAG[1] až FLAG[3], které jsou odesílány z počítače do robotu a udávají informace o úspěšném přepnutí programu, nalezení součástí a jejich dosažitelnost.
Jednou z hlavních částí je rozhodovací část, která určuje vyhledávání součásti buď v první, nebo druhé poloze (popsáno výše). První vyhledávané objekty jsou ležící na široké základně s tolerancí naklopení horizontální roviny v obou směrech 30°. Pokud nejsou žádné nalezeny, přepne se vyhledávání na objekty ležící na úzké základně opět s možností naklopení, což znamená, že nejdříve jsou z kontejneru vybrány všechny lícové polotovary (normální stav), pokud není žádný z jakýchkoliv důvodů k dispozici, odebírá se součást s viditelnou rubovou stranou. Tuto činnost lze pozorovat v přiloženém videu v jeho druhé polovině. V programu je zadefinováno, že dojde k odebrání 10 kusů, pro jeho pokračování je nutné stisknout tlačítko pro pokračování, čímž je odebráno dalších 10 dílů. Kvůli změně
9 Způsob obousměrné komunikace.
66 odebíraného objektu je nutné měnit i 3D model efektoru ve formátu .step vloženého v programu, protože pro jeden případ najíždí se sevřenými čelistmi, pro druhý s otevřenými, podle čehož se vyhodnocují kolizní stavy.
V programu jsou také řešeny přepočty souřadnic (ŘS 3D skeneru a robotu používají každé své vlastní nativní počátky). V programu je také nutné uvést jednotlivé pohyby robotu, díky kterým je s předmětem manipulováno. Jednotlivé pohyby jsou buď typu PTP (Point To Point), nebo LIN (Lineární). Tyto dva druhy je nutné odlišovat, protože každý je vhodný pro jiný případ.
Pro editaci a optimalizaci programu robotu byl použit program OrangeEdit, který lze pohodlně a jednoduše používat na počítačích s operačním systémem Windows (viz Obrázek 56). Jeho výhodou je přehledné prostředí a rychlé úpravy, které lze rychle provádět včetně následné kontroly syntaxe. Pohybová subrutina však byla vytvořena tzv. on-line způsobem, který spočívá v programování robotu na místě v laboratoři.
Obrázek 56 - Ukázka prostředí editačního programu OrangeEdit
5.3. PLB – Part Localization in Bins
Pro samotné vytvoření a analýzu bodového mračna a tím pádem rozpoznávání vyhledávaných objektů je použito speciálního softwaru od firmy SICK s názvem PLB Studio.
Program je přímo navržen pro tento typ úlohy, což lze pozorovat níže, kde je program popsán včetně uvedení nejdůležitějších parametrů promítajících se na jeho rozpoznávacích schopnostech.
67
5.3.1. Základní konfigurace
Výrobce rozdělil aplikační software do tří základních režimů, zobrazených v horní části obrazovky (viz Obrázek 57), přičemž každý z nich plní svou roli při realizaci úlohy. Prvním režim nese název Configure a je určený pro konfiguraci a parametrizaci nastavovaného programu uvedené níže. V pořadí druhý mód Analyze je určen pro následný rozbor probíhajícího zpracování získaných dat, stavové okno vypovídající o jeho úspěšnosti se nachází v pravé části obrazovky, levá je vyhrazena analyzačním nástrojům sloužících k optimalizaci programu. Poslední režim Run je zapnut, pokud chce uživatel nechat probíhat bez jeho zásahů. Výhodou PLB studia je fakt, že se tento mód dá spustit i příkazem přes ethernetový kabel, čehož je v práci využito.
Obrázek 57 - Prostředí programu PLB Studio
1) Nastavení součásti
V první řadě je nutné nakonfigurovat nastavení detekované součásti. Nejdříve je součásti přiřazena jedna z níže uvedených tříd, napomáhající rozpoznávací schopnosti programu zrychlovat a zpřesňovat:
a) Limited tilt
- Součásti jsou v zásobníku umístěny převážně v horizontální poloze - Maximální náklon 30°
- Součásti nemusí být ploché, musejí však mít charakteristickou plochu viditelnou z vrchu
b) Revolving
- Vhodné pro rotačně symetrické součásti, například polotovary k soustružení - Osa symetrie nesmí být vůči základně nakloněna více než 45°
68 c) Revolving pick pose
- Součást vyznačující se kruhovým řezem v jistých místech - Typicky se může jednat například o klikovou hřídel
- Osa rotace (x) musí procházet středem kruhového průřezu, za který bude objekt uchopen
d) No constraints
- Zde nejsou žádná omezení
- Vhodné pro součásti obecných tvarů zcela náhodně rozmístěných v zásobníku
Obrázek 58 - Typové příklady jednotlivých tříd detekovaných objektů [43]
Vylučovací metodou bylo zjištěno, že lisovaný díl spadá do třídy Revolving (b). Do PLB studia je potom možné v univerzálním objemovém formátu .step nahrát 3D model vyhledávané součásti, který je od zadavatele k dispozici a poté zadefinovat osu rotace a
Vylučovací metodou bylo zjištěno, že lisovaný díl spadá do třídy Revolving (b). Do PLB studia je potom možné v univerzálním objemovém formátu .step nahrát 3D model vyhledávané součásti, který je od zadavatele k dispozici a poté zadefinovat osu rotace a