Přeskočit na hlavní obsah
Přeskočit hlavičku
Registrační číslo: CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_019/0000867
Program: Operační program Výzkum, vývoj a vzdělávání
Období: 2018 - 2022
Příjemce: VŠB – Technická univerzita Ostrava

Stručný popis projektu

Cílem projektu je rozvoj výzkumu v oblasti pokročilých mechatronických systémů na VŠB-TU Ostrava.Unikátním rysem projektu je propojení teoretického návrhu, modelování a simulace mechatronických systémů a implementace měřicích, řídicích a diagnostických systémů.Díky pořízené unikátní výzkumné infrastruktuře dojde k akceleraci výsledků týmu, vzniklých rovněž ve spolupráci se zahraničními partnery, růstu mobility VaV pracovníků, výchově mladých vědců a nárůstu účasti v mezinárodních VaV projektech.

Výzkumné programy

VP2 - Metodika a teorie koncepčního designu robotických manipulátorů s počítačovou podporou - aktuální stav řešení

Abstrakt: Hlavním výstupem výzkumného programu bude metodika koncepčního návrhu mechanismu a nástroje počítačové podpory návrhu optimální kinematické struktury manipulátoru/robotu a jeho uchopovacího zařízení s ohledem na jeho velikost, hmotnost, energetickou spotřebu a další preferované parametry pracovního cyklu, jako je přesnost, dexterita, takt pracoviště a další. Výstupy projektu budou aplikovatelné v oblasti automatických výrobních systémů využívajících modulární nízkonákladovou automatizaci manipulačních úloh, dále u všech provozovatelů robotizovaných pracovišť, kteří je budou moci použít pro optimalizaci stávajících programů robotů nebo dispozic robotizovaných pracovišť za účelem optimalizace pracovního cyklu robotů a úspory energií. Nástroje pro automatickou syntézu optimální kinematické struktury robotu, manipulátoru a chapadla pro daný pracovní cyklus budou uplatnitelné zejména pro systémové integrátory navrhující robotizovaná pracoviště.

VC2.1 – Koncepční design manipulačních a robotických mechanismů

Náplní výzkumného cíle VC2.1 je výzkum teoretických metod v oblasti automatizovaného koncepčního designu robotů a manipulátorů na základě požadovaných parametrů manipulační úlohy (dynamika pohybu, počet stupňů volnosti, tvar uchopovacích ploch objektu manipulace apod.) a souvisejících hodnotových parametrů pracoviště, jako je energetická spotřeba, hmotnost zařízení, zatížení a životnost kinematických vazeb, minimalizace prostorového uspořádání apod. Metody automatické syntézy rámu zařízení, syntézy kinematické struktury mechanismu a dimenzovaní ramen a pohonů budou ověřeny na případových studiích typických manipulačních úloh v automatizovaných výrobních i servisních činnostech. Matematické metody koncepčního designu mají velký aplikační potenciál v návrhových SW systémech pro počítačovou podporu koncepčního návrhu těchto mechanismů (Computer-aided conceptual design, CACD). Výstup z návrhového SW bude možné použít pro doporučení vhodného průmyslového robotu z databáze stávajících dostupných robotů, nebo pro sestavení optimální kinematické struktury z flexibilních modulárních prvků. Cílem je automatizovaná syntéza vhodného robotického manipulačního prostředku tak, aby byly plněny všechny požadované funkce při minimální spotřebě materiálních a energetických zdrojů.

vc21-irb140-locations
Fig 2.1-1: Nalezené platné polohy robotu ABB IRB140
vůči jednoduché trajektorii

Doporučení vhodného průmyslového robotu z databáze stávajících robotů

Pro splnění tohoto cíle byla vytvořena v rámci projektu vlastní aplikace nazvaná RobotSelector. Databáze aplikace v současné době obsahuje několik skutečných robotů různých výrobců s různými typy kinematické struktury, přičemž doplňování dalších robotů je poměrně snadný proces vyžadující pouze běžně dostupné technické parametry robotů.

Aplikace nabízí automatizovaný proces doporučení robotů vhodných pro danou úlohu dle zadaných okrajových podmínek. Základní podmínkou je schopnost robotu projet celou trajektorii při dodržení požadované orientace a rychlosti pohybu koncového bodu, což je ověřováno s využitím nově navržené optimalizované metody výpočtu inverzní úlohy kinematiky. Rovněž jsou pomocí výpočetně nenáročného algoritmu kontrolovány kolize robotu s okolním prostředím. Výsledkem procesu je nejen seznam všech vhodných robotů, ale i polohy, do kterých je jednotlivé roboty možné v rámci pracoviště umístit. Vyhledávání platných poloh robotu probíhá v rámci celého pracoviště pomocí mřížky o zvolené hustotě, díky čemuž jsou otestovány všechny oblasti pracoviště. Výhodou tohoto přístupu je zejména odstranění určité profesní sleposti systémového integrátora, který by při ručním návrhu umístění robotu některé polohy ani nezvažoval, čímž by se mohl připravit o potenciálně zajímavé řešení umožňující například využití menšího a levnějšího robotu.

Výběr optimální polohy robotu vůči trajektorii

Pro usnadnění rozhodování o výběru vítězné polohy robotu vůči trajektorii byla navržena a implementována různá kritéria hodnocení platných poloh robotu. Jedním z kritérií je optimalizace polohy robotu za účelem snížení energetické náročnosti, respektive zatížení robotu (pro zvýšení jeho životnosti). Protože celý systém je založen výhradně na kinematickém modelu, není možné vyhodnotit kroutící momenty v kloubech robotu a tudíž nelze zatížení přesně spočítat. Byl proto navržen způsob výrazného zjednodušení dynamického modelu, který umožnil zatížení hrubě aproximovat. Další kritéria hodnocení jednotlivých poloh zahrnují například vyhýbání se singulárním konfiguracím, možnost zvýšení rychlosti pohybu po trajektorii (snížení času výrobního cyklu) atd.

locations_example
Fig 2.1-2: Ukázka hodnocení možných poloh robotu UR10 dle kritéria minimalizace zrychlení pohybových jednotek (vlevo) a možného zvýšení rychlosti pohybu po trajektorii (vpravo)

VC2.2 – Topologický design ramen robotů a manipulátorů

S rozvojem metod robotického velkoprostorového 3D tisku (vyplňované skořepiny, síťové a příhradové vnitřní struktury) rámů základů a jednotlivých článků robotů je možno lépe optimalizovat tyto nosné struktury s cílem úspory hmotnosti a snížení spotřeby energie. Předmětem této výzkumné aktivity je metodika automatizovaného topologického návrhu rámů a ramen manipulátorů, jejichž tvar a profil je automaticky generován pro požadovanou velikost a směr zátěžných sil na základě strukturální analýzy (napětí, deformace) a optimálního rozložení napětí v objemu článku. Součástí výzkumné aktivity je i simulační ověření teorie generování tvarů na prostorových experimentálních modelech vytvořených metodou 3D tisku.