Studijní text [pdf] - Personalizace výuky prostřednictvím e-learningu

Vysoká škola báňská – Technická univerzita OstravaROBOTY A MANIPULÁTORYUčební textJiří SkařupaOstrava 2012

Recenze: Doc. Ing. Zdeněk Konečný, PhD.Ing. Kateřina Kostolányová, Ph.D.Název: Roboty a manipulátoryAutor: Jiří SkařupaVydání: první, 2012Počet stran: 229Náklad: 20Studijní materiály pro studijní obor 2301R013-70 Robotika Fakulty strojníJazyková korektura: nebyla provedena.Určeno pro projekt:Operační program Vzděláváním pro konkurenceschopnostNázev: Personalizace výuky prostřednictvím e-learninguČíslo: CZ.1.07/2.2.00/07.0339Realizace: VŠB – Technická univerzita OstravaProjekt je spolufinancován z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR© Jiří Skařupa© VŠB – Technická univerzita OstravaISBN 978-80-248-2613-4

OBSAH1. ÚVOD DO STUDIA PŘEDMĚTU ROBOTY A MANIPULÁTORY ......................... 81.1. OBSAH STUDIA ............................................................................................................... 91.1.1. Základní charakteristika a struktura předmětu ......................................................................... 91.1.2. Současné problémy praxe v oboru ......................................................................................... 101.2. VÝCHOZÍ POZNATKY KE STUDIU PŘEDMĚTU ................................................. 151.2.1. Průmyslové roboty a manipulátory ........................................................................................ 161.2.2. Metodika konstruování v oboru – obecný model postupu ..................................................... 191.2.3. Metody CAI - TRIZ ............................................................................................................... 271.2.4. Funkčně nákladová analýza ................................................................................................... 301.3. SOUČASNÉ ROBOTICKÉ SYSTÉMY ....................................................................... 331.3.1. Průmyslové roboty ................................................................................................................. 331.3.2. Servisní roboty ....................................................................................................................... 361.3.3. Mechatronické systémy robotického typu ............................................................................. 391.3.4. Mechanické subsystémy, agregáty a prvky robotů ................................................................ 432. MECHANICKÁ ÚSTROJÍ ROBOTŮ ......................................................................... 462.1. VYVAŢOVACÍ ÚSTROJÍ ROBOTŮ........................................................................... 472.1.1. Vyvaţování rotačních pohybových jednotek ......................................................................... 472.1.2. Vyvaţování lineárních pohybových jednotek ........................................................................ 502.1.3. Kvalita vyváţení .................................................................................................................... 542.2. PŘEVODOVÁ ÚSTROJÍ – KLOUBOVÉ MÉCHANISMY ...................................... 662.2.1. Paralelogramy, pantografy ..................................................................................................... 662.2.2. Kinematické struktury a geometrické poměry polohovacích ústrojí s pantografy ................. 722.2.3. Silové poměry v pantografu – reakce .................................................................................... 742.2.4. Návrh pantografu ................................................................................................................... 772.2.5. Pohony – druhy, silové a momentové účinky ........................................................................ 783. PRINCIPY A METODIKA VÝPOČTU AKČNÍHO SUBSYSTÉMU ROBOTŮ .... 823.1. DRUHY VÝPOČTŮ AKČNÍHO SUBSYSTÉMU ROBOTŮ A MOŢNÉ POSTUPY833.1.1. Deformační výpočty............................................................................................................... 843.1.2. Analytický deformační výpočet kartézského manipulátoru ................................................... 903.1.3. Funkční – předběţné výpočty .............................................................................................. 1014. METODIKA A PROSTŘEDKY PŘEDBĚŢNÉHO NÁVRHU ROBOTŮ ............. 1034.1. METODY NÁVRHU SERVISNÍCH ROBOTŮ ........................................................ 1044.1.1. Charakteristika výchozí situace v servisní robotice ............................................................. 1044.1.2. Analýza servisních činností ................................................................................................. 1054.1.3. Variabilita konstrukcí servisních robotů .............................................................................. 1074.1.4. Předběţný návrh - studie ...................................................................................................... 1134.1.5. Vlastní postup návrhu servisních robotů .............................................................................. 1164.1.6. Celkový přehled návrhu servisních robotů .......................................................................... 1194.2. METODY NÁVRHU PRŮMYSLOVÝCH ROBOTŮ ............................................. 1234.2.1. Poţadavky a kritéria pro konstrukci průmyslových robotů ................................................. 1234.2.2. Volba koncepce .................................................................................................................... 1244.2.3. Předběţné výpočty ............................................................................................................... 1314.2.4. Návrh a výpočty modulárních průmyslových robotů .......................................................... 1384.3. PROSTŘEDKY NÁVRHU PRŮMYSLOVÝCH ROBOTŮ ................................... 152

4.3.1. Struktura systému ................................................................................................................ 1534.3.2. Analýzy ................................................................................................................................ 1544.3.3. Syntézy ................................................................................................................................. 1665. NAVRHOVÁNÍ ROBOTŮ A MANIPULÁTORŮ .................................................... 1755.1. MODERNÍ POSTUPY – GOLDFIRE INNOVATOR .............................................. 1765.1.1. Principy GFI ........................................................................................................................ 1765.1.2. Moţnosti vyuţití GFI pro tvůrčí práci návrháře .................................................................. 1775.1.3. Workflow Design New Systém (Návrh nového systému) ................................................... 1805.1.4. Příklad aplikace workflow ................................................................................................... 1815.2. APLIKACE POSTUPŮ A PROSTŘEDKŮ PRO NÁVRH AKČNÍHOSUBSYSTÉMU (AS) ............................................................................................................ 1955.2.1. Přípravné kroky pro návrh AS ............................................................................................. 1955.2.2. Návrh a výpočty vybraných částí akčního subsystému robotu ............................................ 1996. PŘÍLOHY ...................................................................................................................... 219Další zdroje ..................................................................................................................................... 220Klíč k řešení .................................................................................................................................... 224

POKYNY KE STUDIURoboty a manipulátoryPro předmět 2. semestru magisterského studia oboru Robotika jste obdrţeli studijní balíkobsahující:Prerekvizityintegrované skriptum pro distanční studium, obsahující i pokyny ke studiuCD-ROM s doplňkovými animacemi vybraných částí kapitolharmonogram průběhu semestru a rozvrh prezenční částirozdělení studentů do skupin k jednotlivým tutorům a kontakty na tutorykontakt na studijní odděleníPro studium tohoto předmětu se předpokládá absolvování předmětu Průmyslové roboty amanipulátory a Metodika konstruování v oboru.Cílem předmětuje seznámení studenta s principy navrhování robotických systémů a jejich výpočtů. Poprostudování modulu by měl student být schopen aplikovat tyto základní principy do vlastnítvůrčí práce v oboru. Měl by být schopen provádět návrh, výpočty a kontrolu robotů a jejichzákladních mechanických částí a předepsat jejich provozní podmínky.Pro koho je předmět určenModul je zařazen do magisterského studijního programu Strojní inţenýrství, oboru 2301T013Robotika, ale můţe jej studovat i zájemce z kteréhokoliv jiného oboru, pokud splňujepoţadované prerekvizity.Skriptum se dělí na tématické bloky, kapitoly, které odpovídají logickému dělení studovanélátky, ale nejsou stejně obsáhlé. Předpokládaná doba ke studiu kapitoly se můţe výrazně lišit,proto jsou velké kapitoly děleny dále na číslované podkapitoly a těm odpovídá níţe popsanástruktura.Při studiu kaţdé kapitoly doporučujeme následující postup:Čas ke studiu: xx hodinNa úvod kapitoly je uveden čas potřebný k prostudování látky. Čas je orientační a můţe vámslouţit jako hrubé vodítko pro rozvrţení studia celého předmětu či kapitoly. Někomu se časmůţe zdát příliš dlouhý, někomu naopak. Jsou studenti, kteří se s touto problematikou ještěnikdy nesetkali a naopak takoví, kteří jiţ v tomto oboru mají jisté zkušenosti. Čas potřebnýk prostudování a zvládnutí jednotlivých tématických bloků je do značné míry závislýpředevším na úrovni jejich znalostí z definovaných prerekvizit.

Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete umětpopsat ...definovat ...vyřešit ...Ihned potom jsou uvedeny cíle, kterých máte dosáhnout po prostudování této kapitoly –konkrétní dovednosti, znalosti.VÝKLADNásleduje vlastní výklad studované látky, zavedení nových pojmů, jejich vysvětlení, všedoprovázeno obrázky, tabulkami, řešenými příklady, odkazy na animace.Shrnutí kapitolyNa závěr kapitoly jsou zopakovány hlavní pojmy, které si v ní máte osvojit. Pokud některémuz nich ještě nerozumíte, vraťte se k němu ještě jednou.Kontrolní otázkaPro ověření, ţe jste dobře a úplně látku kapitoly zvládli, máte k dispozici několik teoretickýchotázek.Úkol k řešeníProtoţe většina teoretických pojmů tohoto předmětu má bezprostřední význam a vyuţití vpraxi, jsou Vám nakonec předkládány i praktické úlohy k řešení. V nich je hlavní význampředmětu a schopnost aplikovat čerstvě nabyté znalosti, při řešení reálných situací, hlavnímcílem předmětu.KLÍČ K ŘEŠENÍVýsledky zadaných příkladů i teoretických otázek výše jsou uvedeny v závěru učebnicev Klíči k řešení. Pouţívejte je aţ po vlastním vyřešení úloh, jen tak si samokontrolou ověříte,ţe jste obsah kapitoly skutečně úplně zvládli.

Úvod do studia předmětu roboty a manipulátory1. ÚVOD DO STUDIA PŘEDMĚTU ROBOTY AMANIPULÁTORYPo úspěšném a aktivním absolvování tohoto BLOKU budete umět:• Objasnit obsah předmětu v souvislosti s aktuálními potřebami praxev oboru• Interpretovat základní poznatky z předmětů Průmyslové roboty amanipulátory a Metodika konstruování v oboru, nezbytné pro jejichaplikaci v tomto předmětu• Diskutovat aktuální vývoj technických systémů v oboruCílepřednáškovéhoblokuRobot, mechatronický systém, základní poznatky, zaměření studia apředmětu, současné robotické systémy, požadavkyKlíčová slovaČas ke studiu: 6 hodin8

Úvod do studia předmětu roboty a manipulátory1.1. OBSAH STUDIAPo úspěšném a aktivním absolvování této KAPITOLY budete umět:• Vyjádřit obsah a strukturu předmětu a studijní opory• Objasnit hlavní problémy praxe v oboru, k jejichţ řešenípřispěje studium předmětuCíle kapitolyRobot – průmyslový, servisní, sériový, paralelní, robotika, mechatronika,metodika konstruování,navrhování robotů, prerekvizity, know how,metody a prostředky návrhu.Klíčová slovaČas ke studiu: 2 hodinyPředmět Roboty a manipulátory dovršuje souhrn poznatků a praktických postupů,které jsou potřebné pro práci tvůrčího technika – inţenýra v daném oboru. V kapitole jevysvětlen obsah studijní opory a předmětu jednak v návaznosti na absolvované prerekvizity ataké na problematiku, kterou budou absolventi řešit ve své praxi.VÝKLAD1.1.1. Základní charakteristika a struktura předmětuObsah předmětu je pro studenty oboru Robotika završením poznatků o mechanickýchústrojích robotů a jejich navrhování. K tomu v rámci dřívější průpravy absolvovali předmětyPrůmyslové roboty a manipulátory (bakalářské studium) a Metodika konstruování v oboru -Robotika (magisterské studium) a samozřejmě, vzhledem k tomu, ţe se jedná v případěrobotů o mechatronické systémy, také průpravu v oblasti pohonů, mechatroniky, senzoriky adalších. Protoţe v kaţdém technickém oboru je výsledný profil absolventů zaloţen nazvládnutí technických systémů oboru a metod jejich tvůrčího vyuţití při návrhu systémůnových či inovovaných, bude nutné doplnit a rozvinout poznatky o systémech a subsystémechrobotiky a dále ukázat jak aplikovat při navrhování těchto systémů dříve získané metodicképoznatky.Je zřejmé, ţe hotovým tvůrčím technikem ţádný čerstvý inţenýr (absolvent) nemůţebýt. To podstatné, co jej čeká v praxi, je vytváření vlastního know how, jako individuálnísumy poznatků, která podstatně ovlivňuje jeho hodnotu na trhu práce i kvalitu odborného,potaţmo osobního ţivota (nejen finančním ohodnocením, ale i uspokojením z výsledků jehotvůrčí práce a osobních přínosů na pracovišti).Z tohoto důvodu skriptum přináší nejen strohé uvedení základních principů postupůnavrhování a výpočtů, ale i podrobnější rozvedení některých témat, která se týkají moţnostíjak know how vytvářet a aplikovat jako osobní přidanou hodnotu, v tvůrčím procesu v rámcipracovního týmu na pracovišti. Protoţe ne vţdy tuto okolnost studenti při výuce chápou budena ni v tomto kontextu u příslušných témat upozorněno.9

Úvod do studia předmětu roboty a manipulátoryV předmětu Průmyslové roboty a manipulátory byly probrány základní znalosti oprvcích, agregátech a subsystémech a ústrojích akčního (mechanického) systémuprůmyslových robotů. Tyto znalosti jsou nyní doplněny o další důleţitá ústrojí a také o dalšítypy robotů a jejich konstrukční řešení, dnes jiţ běţně v praxi se vyskytující.Poznatky potřebné pro navrhování robotů a mechatronických systémů robotickéhotypu byly v základní úrovni probrány v Metodice konstruování v oboru. V tomto studijnímmateriálu v relaci ke studovanému předmětu jsou tyto znalosti aplikovány pro navrhovánínových koncepcí, struktur a prvků robotů různých typů.Skriptum je strukturováno na základě zkušeností autora získaných v průběhu 25 let (odroku 1984) přednášení této problematiky na Fakultě strojní, VŠB – Technické univerzityOstrava. Změny ke kterým v průběhu let docházelo odpovídají především rychlému vývojioboru a s ním souvisejících disciplin, ale také rozvoji metod počítačové podpory navrhovánítechnických systémů a metod podpory tvůrčí práce, opět realizovaných s vyuţitím výpočetnítechniky.Skriptum je členěno do 5 tématických celků:1. Obsah studiaKapitola dokládá současný rozvoj robotiky a problémy jejího dalšího rozvoje av tomto kontextu ukazuje jak strukturování skripta odpovídá poţadavkům kladeným na tvůrčípracovníky v oboru.2. Mechanická ústrojí robotůJsou zde vyloţeny základy řešení dalších ústrojí robotů (doplňující poznatky skriptaPrůmyslové roboty a manipulátory) a principy jejich návrhu a výpočtů.3. Principy a metodika výpočtu prvků akčního subsystému robotůUpřesňují se zde obecné zásady výpočtů prvků, agregátů a subsystémů robotů přivyuţití systémů počítačové podpory jejich návrhu.4. Metodika a nástroje předběţného návrhu robotůPoskytuje hrubý přehled metod a nástrojů dnes uţívaných při předběţném navrhovánísloţitých technických systémů robotického typu s doporučením k jejich výběru v různýchsituacích tvůrčí technické práce.5. Navrhování robotůNa příkladech ukazuje konkrétní postupy návrhu robotů zejména ve fázi tvorby koncepčníchřešení nových robotů a jejich subsystémů, nebo při zásadních inovacích jiţ vyráběných typů.Soubor předkládaných poznatků byl průběţně ověřován na řešení projektů robotů, čimechatronických systémů robotického typu, týmem pracovníků katedry robototechnikyFakulty strojní, VŠB – Technické univerzity Ostrava, ve spolupráci s firmami, zejménav oblasti nasazení pro záchranu lidí a materiálu při krizových situacích.1.1.2. Současné problémy praxe v oboruPrůmyslové roboty (dále PR) jsou v dnešní době jiţ plně rozvinuté technické systémy,které kooperují s výrobními systémy ve strojírenství a nachází uplatnění i mimo toto odvětví.Základní, ve světě vyráběné koncepce PR, dosáhly vysoké technické úrovně i spolehlivosti,takţe nezaostávají za výrobními stroji, ke kterým jsou nasazovány. Výhodnost určitých typůpodle účelu, ke kterému jsou vyuţívány, vedla k tomu, ţe jsou opakovaně produkoványrůznými výrobci a inovovány, zejména adekvátně úrovni subsystémů a prvků. Tento stavodpovídá i propracování a ověření poznatků nashromáţděných v uplynulém období.10

Úvod do studia předmětu roboty a manipulátoryprincipy řešení problémů. Týká se to rozvoje metod a nástrojů pro podporu těchto činností,které musí umoţnit jednak jejich výraznou intenzifikaci, jednak zefektivnění, posouzenítechnické realizovatelnosti, ekonomické realizovatelnosti a moţností uplatnění získaných,principielně nových řešení i v jiných oblastech.Obr. 1.1.2. – 4 Servisní průzkumný apyrotechnický robotV posledních letech dochází i zdek rychlému rozvoji a mnoţství metod a nástrojů sestává poněkud nepřehledným. Navíc metody inástroje jsou vhodné pro různé aplikace v různémíře.Vzhledem k prognózám o mimořádnémvýznamu servisní robotiky pro hospodářstvívyspělých států jiţ i v současnosti, jde oproblematiku, která můţe přispět k rozvoji oboru ajeho konkurenceschopnosti i v České republice.Rozpracování metod a prostředků pro návrhservisních robotů probíhá na katedře robototechniky,Fakulty strojní VŠB - TU Ostrava, od r. 1999, jakosoučást projektu výzkumných záměrů MŠMT (splánovaným ukončením v r. 2003), konkrétněvýzkumného záměru CEZ:J17/98:272300008"Inovace konstrukcí strojů a zařízení směrem kezvyšování výkonnosti, spolehlivosti, úspor energie aochrany ţivotního prostředí", kde byly sledovány tři dílčí oblasti této problematiky: Rozvojinovačních metod a nástrojů v oblasti strojních a mechatronických systémů, Inovace a vývojservisních robotizovaných systémů a Aplikace CAD systémů v oblasti modelování a simulacemechatronických systémů, s cílem optimalizace jejich parametrů. Prezentované nástroje aprostředky byly vesměs získány a ověřeny i v rámci grantových projektů FR MŠMT aGAČR, řešených na katedře robototechniky v letech 1994 – 2001 a následně ve výzkumně –vývojových projektech Ministerstva průmyslu a obchodu typu Tandem, Tip a Alfa vespolupráci s mnoha firmami v ČR..První výsledky v této oblasti byly publikovány v monografii „Metody a prostředkynávrhu průmyslových a servisních robotů“ [Skařupa, Mostýn 2001], která tématicky navazujena monografii „Teorie průmyslových robotů“ [Skařupa, Mostýn 2000]. Ta byla zaměřenazejména na aplikaci numerických výpočetních metod v oblasti kinematiky a dynamikyprůmyslových robotů a manipulátorů. V porovnání s obdobnými pracemi nabídla konkrétní aověřené výpočtové metody pro konstruktéry, výpočtáře a vědecké pracovníky, vhodné krelativně snadné aplikaci, při takových výpočtech, jako je stanovení reakcí v pohybovýchjednotkách robotů, k dimenzování nosných i převodových prvků robotu aj.Uvedené metody jsou však aplikovatelné aţ tehdy, jsou-li známy příslušné hmotnostnía kinematické charakteristiky konkrétního robotu, coţ je závěrečná fáze jeho vývoje. Jestliţezačneme za této situace ověřovat správnost návrhu konstrukce robotu, znamená to praktickyvţdy nezbytné úpravy konstrukce a i několikeré opakování částí, či celého cyklu vývoje; tedyznámý iterativní přístup k návrhu konstrukcí strojů. To můţe způsobit časovou prodlevu vůčikonkurenci, při vstupu do trţního prostředí a návazné další poškozující ekonomické dopadypro výrobní firmu.Naše pozornost se tedy zaměřuje na počáteční fázi návrhu robotů. Jde o definicisprávného zadání pro vývoj produktu (robotu, agregátů, pohybových jednotek, převodů,12

Úvod do studia předmětu roboty a manipulátoryperiferií robotizovaných pracovišť aj.), analýzu úkolu, stanovení poţadavků na konstrukci,analýzu nebo návrh technologie, analýzu a syntézu funkční, orgánovou i stavební, s vyuţitímmoderních prostředků počítačové podpory. Na to pak navazuje vyuţití moţnostíinteligentních CAD systémů, s jejich stále komplexnější strukturou. Vytváří se modelproduktu, který jiţ v rané fázi vývoje můţe být optimalizován a hodnocen a doveden dostupně komplexnosti, který umoţňuje aplikaci metod zaměřených na kontrolní dílčí výpočty.Postup a filozofie návrhu, pouţité metody a prostředky se nutně musí lišit podleanalýzy situace na počátku vzniku myšlenky, směřující k zaloţení vývoje produktu. V těchtoúvahách a instrumentech se budou muset vývojáři dokázat rychle orientovat, aby splniliočekávání svých firem.Předvýrobní fáze navrhování výrobku je v dnešní době realizována na základěuplatnění vyváţeného vztahu teoretických a experimentálních přístupů. V obou případech sesilně prosazuje dynamicky se rozvíjející výpočetní technika s příslušným programovýmzázemím.Tlak na zkracování periody výzkumu a vývoje z hlediska zkrácení času pro přípravuvýroby a zkrácení celkového času pro uvedení nového produktu na trh, vede k rozvojiprostředků pro operativní sdílení informací mezi jednotlivými vývojovými týmy a realizátoryumoţňujících rychlou implementaci výsledků do výroby a pruţnou reakci na změny běhemoptimalizace výrobku. Velký význam má moţnost archivace dílčích postupů a zkušenostípopřípadě jejich průběţné zobecnění pro pozdější vyuţití.Programové prostředky pro teoretické i experimentální postupy jsou dostupné veformě univerzálního (komerčního) sw nebo ve formě specializovaného sw, vytvářeného podlekonkrétních podmínek a charakteru sledovaného výrobku. Způsoby vyuţívání univerzálníchprogramů a vytváření vazeb mezi nimi ve smyslu vytváření metod přístupů řešení,představuje prostor novodobých nástrojů pro rychlý optimalizovaný návrh strojů a jejichkomponentMetody experimentálního výzkumu se v procesu navrhování strojů, zařízení a jejichkomponent projevují jako prostředky zpětné vazby, s průběţným působením v rámcizpřesňování čistě teoretických postupů a dále jako nástroje pro identifikaci parametrůrealizovaných zařízení, s ohledem na vzájemné porovnávání a upřesňování dalšího vývoje. Vněkterých případech mohou být experimentální metody aplikovány pro zrychlení vývoje.Velkou perspektivu mají metody rychlého prototypování (virtuall prototyping.Výzkum a vývoj metod navrhování, optimalizace a experimentálního sledovánístruktur strojů a jejich komponent má zásadní význam pro uplatnění ve všech oborech a zcelavýrazně podmiňuje jejich rozvoj.V současné době existuje velký počet firem (a dále narůstá) specializovaných navýrobu jednotlivých komponent, agregátů a uzlů strojů (pro všechny subsystémy), coţ vede kzavádění nových technologií, ke zvyšování sériovosti, zvyšování kvality, sniţování nákladů akoncentraci kapitálu na jejich další intenzivní vývoj a inovace. Prakticky to znamená, ţeintenzivní změny prvkové základny umoţňují a podněcují inovace a vývoj nových koncepcí astruktur strojů, ale na druhé straně jsou jiţ běţné i postupy inverzní, tj. vývojáři ke svýmvizím o vývoji struktur a koncepcí dávají podněty, či přímo konkrétní zakázky na vývoj prvkůpotřebných vlastností. Přitom tyto prvky jsou dnes poměrně běţně v plné nabídce (skatalogem i všemi potřebnými informacemi a s moţností okamţité konzultace) k dispozici nawebovských stránkách internetu. Je třeba si uvědomit co znamená jen tato poslední okolnost -13

Úvod do studia předmětu roboty a manipulátorystále aktuální katalog, celosvětová dostupnost stejných prvků, konkurenční tlak na rychlostinovací, zvyšování sériovosti, trh odběratele a tedy i konstruktéra (prvky vyuţívajícího).Druhou zásadní změnou proti minulosti, která nastala proti dobám ne tak dávným jeskutečnost, ţe v důsledku snadné dostupnosti vysoce kvalitních prvků, se konstruktéřizaměřují na špičkovou tvůrčí práci, týkající se zejména koncepcí a struktur strojů, spíše setedy jedná o projektování, nebo jistému významnému posunutí činnosti konstruktéra, tak jakbyla chápána po celé minulé století (návrh kaţdého detailu, a to včetně realizace vhodnoutechnologií). Také z této okolnosti vyplývá značný boom v oblasti nástrojů a prostředků proracionalizaci etapy tvorby koncepcí a návrhu technických systémů.Předkládaná skripta pro studenty oboru "Robotika" obsahují, jak vyplývá z výšeuvedeného, témata, která v těchto relacích a rozsahu a ve vztahu k robototechnickým apotaţmo mechatronickým systémům, dosud v tomto kontextu nebyla publikována. Měla bypředstavovat, k dílčím otázkám konstruování a dimenzování a metodice návrhu jednotlivýchuzlů robotů, základní studijní materiál, respektive osnovu znalostí absolventů oboru, od kterése odvíjí obsah dalších vědních disciplin, potřebný pro tvorbu tak komplexního produktu,jakým je průmyslový, servisní, či personální robot, jako typický představitel mechatronickýchsystémů.Většina témat je však jistě zajímavá a především přímo vyuţitelná i pro studentyostatních oborů (zejména konstrukčních) strojních fakult. Týká se to např. postupůpočátečních etap tvorby návrhů a inovací, analytických metod, podpory kreativity aCAD/CAI/CAE systémů.Vzhledem k tomu, ţe jde o první vydání skripta a s novou tématikou, bude autorvděčen za kaţdou připomínku ke zlepšení jejich obsahu a/nebo struktury, ať jiţ ze stranypedagogů, odborníků z praxe i studentů.Shrnutí kapitolyV této kapitole jste si připomenuli pojmy známé vám z předchozího studia, viz klíčováslova. Ze sloţitosti mechatronických – robotických systémů vyplývá také sloţitostnávrhových postupů a nutnost vyuţít speciální prostředky pro sníţení rizika tvůrčí práce.Kontrolní otázky1. V čem spočívá odlišnost robotu oproti manipulátoru?2. Jak se liší robot sériový od paralelního?3. Čím se odlišují průmyslové a servisní roboty?4. Jaké jsou fáze technického ţivota robotů?Která témata prerekvizit jsou pro předmět Roboty a manipulátory zvláště důleţitá a proč?14

Výchozí poznatky ke studiu předmětu1.2. VÝCHOZÍ POZNATKY KE STUDIU PŘEDMĚTUPo úspěšném a aktivním absolvování této KAPITOLY budete umět:Interpretovat základní poznatky předmětů Průmyslové roboty amanipulátory a Metodika konstruování v oboru, na které nověstudovaná látka navazujeRozhodnout při řešení nových problémů, které z dříve získanýchpoznatků lze vyuţít.Cíle kapitolyZákladní kinematické struktury průmyslových robotů – kartézská,cylindrická, sférická, angulární, scara, Gantry, subsystémy PR – akční,řídicí, senzorický, pohyby částí PR – globální, regionální, lokální,pracovní prostor, kolizní prostor, dynamické, statické a výkonovécharakteristiky PR.Technický život technických systémů,inženýrské činnosti,základní rozportechnické tvůrčí práce,konstrukční postup,funkční a orgánová struktura,black box, morfologická matice,vlastnosti technických systémů,TRIZ,ARIZ, funkčně nákladová analýza.Klíčová slovaČas ke studiu: 3 hodinyRobotika, jako kaţdý jiný strojírenský obor, pojednávající o určitém druhutechnického systému vyuţívá poznatků mnoha vědních disciplin. Vzhledem k tomu, ţe robotyjsou typickými představiteli mechatronických systémů je počet těchto disciplin a šíře těchtopoznatků značná. Nestačí pak při návrhu strojní části robotu respektovat všeobecně uznávanépostupy, ale je nutné brát zřetel i na řešení systému z hlediska poznatků elektrotechniky,elektroniky, senzoriky, řízení a softwarového inţenýrství.Vytvořila se tak nová filozofie přístupu k navrhování takových systémů,charakteristická především týmovou spoluprací profesních specialistů z výše uvedenýchdisciplin. Tak jako jsme do nedávné doby vycházeli z přístupu elektromechanického, dnes jdeo přístup mechatronický. Důsledkem této filozofie pak není pouhý součet přínosůjednotlivých disciplin, ale přínos násobně vyšší daný synergickými efekty.Pro rozvoj a dovršení poznatků v oboru Robotika, předmětem Roboty amanipulátory, v následujících subkapitolách, připomeneme, co by měl student znátz předchozího studia předmětů, definovaných jako prerekvizity.15

Výchozí poznatky ke studiu předmětuVÝKLAD1.2.1. Průmyslové roboty a manipulátoryV této části nebudeme opakovat látku probranou a dostupnou ve skriptu k předmětuPrůmyslové roboty a manipulátory, ale pouze upozorníme na podstatné poznatky, na kterébudeme dále navazovat.Současné průmyslové roboty mají běţně 6 stupňů volnosti, z nichţ kaţdý můţe býtbuď rotační, nebo posuvný, přičemţ rotace má volbu 3 os (x, y, z) a posuv rovněţ a tytomohou být za sebou libovolně seřazeny, pak z velkého počtu moţností musíme konečnýřetězec volit podle nějakých kriterií. Různým řazením podle druhu pohybu a uţité osysouřadného systému získáme určitou koncepci robotu s charakteristickými vlastnostmi, častovelmi rozdílnými. Příklad řazení stupňů volnosti do kinematického řetězce a vznikukoncepčního řešení viz obr. 1.2.1.-1.z3 T x2 T z1 R z04R x5T yx6R yyObr. 1.2.1. – 1 Kinematický řetězec PR se 6 stupnivolnostiOčíslovány jsou jednotlivé členy, rám 0, rozlišeny rotacea translace a přiřazeny k osámMezi významná kritéria na základě kterých koncepci volíme a také hodnotíme jejichúspěšnost patří:• Tvar a velikost pracovního prostoru16

Výchozí poznatky ke studiu předmětu• Poţadovaná dráha těţiště objektu manipulace (OM)• Poţadovaná přesnost polohování OM• Poţadovaná orientace OM• Volba druhu pohonu jednotlivých os• Vhodné konstrukční provedení kinematické dvojice (kloubu a ramene PR – z hlediskazejména výrobního, montáţního, ekonomického – výrobních nákladů, umístěnípřevodů a motorů, kabeláţe, aj.)• Způsob součinnosti PR s periferiemi RTP – polohovadly, dopravníky, kontejnery,výrobními stroji, aj.Tento výčet není vyčerpávající a navíc si musíme uvědomit jak daná kritériaodpovídají (jsou odvozena od) aplikačním poţadavkům v konkrétním případu.Na základě těchto kriterií se ukázaly jako zvláště vhodné a proto různými výrobcicelosvětově opakované, jen některé typy kinematických řetězců. To samozřejmě platilo prourčitou etapu vývoje. S novými technickými moţnostmi ve vývoji prvků, technologií aagregátů i rozvojem řízení, senzoriky, umělé inteligence, aj., je nutné vţdy ověřovat zdaneexistují moţnosti vyuţití jiných koncepcí s novými benefity pro praxi.Kinematické řetězce se označují také podle toho v jakém prostoru se pohybujíkoncové body horního ramene (vyznačené krouţkem). V obr. Obr. 1.2.2. – 2 jsou polohy bodudány kartézskými souřadnicemi, podobně jako u obr. Obr. 1.2.2. – 7, zatímco typ robotus prvním kinematickým řetězcem se označuje stojanový, kartézský, druhý se označuje jakoGantry (portálový). Na obr. Obr. 1.2.2. – 3 je řetězec robotu stojanového, polohujícív cylindrickém souřadném systému. Roboty na obr. Obr. 1.2.2. – 4 a obr. 1.2.2. – 6, polohují vesférickém souřadném systému. Rozdíl mezi nimi je pouze v posledním členu z hlediska jehopohybu. První vykonává posuvný pohyb, kdeţto druhý rotační pohyb. Největší počet robotův současnosti pracuje právě pouze s rotačními členy a označují se jako angulární (úhlové).Poslední kinematický řetězec na obr. Obr. 1.2.2. – 5 je pouţit u robotů, které se označují podlenázvu prvního robotu tohoto typu SCARA (zkonstruován v Japonsku). Všechny pohyby sevykonávají okolo vertikálních os, coţ umoţňuje velké rychlosti pohybu a rovněţ vyššípřesnost neţ u předešlých konstrukcí. Tato vlastnost je potřebná zejména při montáţích.zxxyyObr. 1.2.1. – 2 Kinematická struktura Tx, Tz, TyObr. 1.2.1. – 3 Kinematická struktura Rz, Tz, Ty17

Výchozí poznatky ke studiu předmětuzzxxyyObr. 1.2.1. – 4 Kinematická struktura Rz, Rx, TyObr. 1.2.1. – 5 Kinematická struktura Rz, Rz, TzzzxxyyObr. 1.2.1. – 6 Kinematická strukturaRz, Rx, RxObr. 1.2.1. – 7 Kinematická strukturaTx, Ty, TzDále byly studovány principy řešení polohovacích jednotek (stupňů volnosti), kteréuplatníme při dosazování za členy kinematického řetězce. Obojí (kinematické řetězce iprincipy polohovacích jednotek) poskytuje velké moţnosti pro variabilitu navrhovanéhorobotu.Z hlediska rozvíjení poznatků v předmětu Roboty a manipulátory je dále důleţitézopakování témat:Mechanika nosného subsystému robotůMechanika výkonného subsystému robotůPohony robotů – motory a převodyEfektory robotůOrientační ústrojí – principy a konstrukcePolohovací ústrojí – zásady a postup konstruování jednotlivých ramen v různýchkoncepcích robotůV kapitole Pohony robotů zdůrazněme poznání vlastností jednotlivých druhů motorůpouţívaných v robotech a jejich spolupráci s poháněnou částí robotu (ramena). Následujíotázky správné volby motorů. Důleţitá je tvorba modelu pohonu, zaloţená na redukciparametrů ramene na hřídel motoru. V souvislosti s poţadavky na parametry motorů a18

Výchozí poznatky ke studiu předmětupřevodů je nezbytné uvědomit si potřebu neobvykle velkých převodových poměrů a z tohovyplývajících druhů převodů a jejich konstrukcí.Převody a jejich prvky i jejich navrhování bylo probráno v Částech a mechanismechstrojů, coţ je nezbytné zopakovat. V předmětu PraM byly pak probrány převody, které majízvlášť velký význam pro konstrukci robotů – valivé šrouby, planetové převody, harmonicképřevody a cyklopřevody.V rámci navazujícího výkladu tohoto předmětu bude doplněna problematikačtyřkloubového mechanismu – paralelogramu a pantografu, které jsou u robotů častopouţívány. Z mechanických ústrojí zbývá doplnit výklad o subsystému vyvaţování ramenrobotů.1.2.2. Metodika konstruování v oboru – obecný model postupuChceme-li se zabývat konkrétními postupy a okolnostmi návrhů nových typů, jejichprincipů a koncepcí, či jejich výraznými inovacemi je nezbytné připomenout si jaké k tomuexistují prostředky a technologie a z nich si pro vlastní aplikaci je potřeba umět vybratnejvhodnější.Jde o znalosti z předmětu stejného názvu. Zde jen připomeneme ty, které doporučímepro první aplikace při konkrétních návrzích robotů, v rámci cvičení z předmětu a přizpracování projektů v jiných předmětech a nakonec při zpracování diplomové práce.Popišme výchozí situaci v procesu hledání nového řešení nebo inovace stávajícíhoproduktu. Tu lze dokumentovat grafickým vyjádřením průběhu tvorby v jednotlivých fázíchtechnického ţivota produktu – technického systému.Základní inţenýrskou činností – jejím smyslem a cílem, je vytváření technickýchsystémů, které jsou společensky potřebné, efektivní, kvalitní, bezpečné, aj. S technickýmsystémem souvisí další, odvozené inţenýrské činnosti, proto je nutné technický system a jehovlastnosti blíţe analyzovat.Technický system (TS) systém se můţe nacházet v různých etapách svého technickéhoţivota:Přípravná etapa – začíná vznikem myšlenky (nápadu), námětu, na vytvořenítechnického systému k určitému účelu a končí rozhodnutím o organizovanépřípravě jeho realizace.Návrhová etapa – námět je rozpracován pro realizaci a posouzení I garancivlastností.Realizační etapa – výroba a montáţ technického systému.Provozní etapa – TS plní uţitné funkce, pro které byl určen a jsou získáványpoznatky pro jeho další zlepšování.Likvidační (recyklační) etapa – po ukončení provozní etapy je TS recyklován,ohleduplně k ţivotnímu prostředí a vyuţit jako zdroj surovin pro další uţití.Návrhová a realizační etapa se kryjí s technickými činnostmi – jde o tvůrčí činnosti vpravém smyslu slova – při vzniku nového TS.Technický ţivot TS lze členit ještě jiným způsobem:Ţivot abstraktní – označovaný jako předvýrobní etapa (přípravná a návrhováetapa), kdy TS existuje pouze jako soustava postupně se rozšiřujících informací.19

Výchozí poznatky ke studiu předmětuŢivot výrobní – totoţný s realizační etapou.Ţivot konkrétní – TS reálně exiruje (etapa realizační a provozní).Pro technického tvůrčího pracovníka je důleţitá zejména návrhová etapa, protoţe okvalitě TS se rozhoduje aţ z 90% právě zde. Právě zde je nutné překonat základní rozportechické tvůrčí práce – rozpor mezi informační určitostí a rozhodovací významností –významností pro dosaţený výsledek – správně navrţený TS (obr. 1.2.2. – 1).Informační určitostí rozumíme mnoţství informací o TS v určitém časovém intervalu.Rozhodovací významností rozumíme význam rozhodnutí v daném čase pro kvalitu aefektivnost realizovaného objektu v budoucnu ( v provozní etapě). O základní koncepci TS serozhoduje na konci přípravné a na začátku návrhové etapy.Technické činnosti, související s návrhem nového TS lze členit na:Tvůrčí – jimiţ vzniká nova kvalita v porovnání se současným stavem.Výkonné – nutné pro realizaci výsledků tvůrčí činnosti.Organizační – vytvářející podmínky pro tvůrčí práci technického tvůrčíhopracovníka.Informační – získávání, třídění, zpracování a vyuţívání informací.Zatímco o uţitné hodnotě rozhodují aţ z 90% činnosti tvůrčí a zčásti informační,ostatní činnosti jsou rovněţ nezbytné, ale uţitnou hodnotu ovlivňují pouze z 10% a většinoujsou algoritmizovatelné, tzn., ţe je znám postup jejich provádění, či řešení.Obr. 1.2.2. – 1 Základní rozpor technické tvůrčí práce a etapy technického ţivota20

Výchozí poznatky ke studiu předmětuTechnická tvůrčí činnost je posloupností řešení problémových situací, spojených svytvářením návrhu a prognózou budoucích vlastností TS. Pod problémovou situací rozumímečinnost, která vyţaduje rozhodnutí o dalším postupu, vynucené buď nedostatečným rozvojemvědy, nebo je znám větší počet řešení a postupů, ale s určitými nedostatky z hlediska přijatýchkritérií a a pouţijí se optimalizační postupy. Právě úspěšnost a rychlost řešení problémovýchsituací je meritem věci, při posuzování vhodnosti návrhových metod a prostředků, protechnickou tvůrčí práci.Pro etapu vypracování prvních představ o zcela novém řešení technického systému (vprincipu, struktuře, nebo v koncepci) je stále nejvhodnější, a to zejména pro začínající tvůrčípracovníky, “Obecný model postupu tvorby technického systému”.Při vytváření technického systému se vyskytují činnosti, které jsou plněalgoritmizovatelné, ale i činnosti jejichţ výsledek do značné míry závisí na intuici. I kdyţexistuje řada metod podporujících intuitivní procesy jde přece jen o slabší stránku tétodiscipliny. Skutečností zůstává, ţe vysoce kreativní činnosti, vyţadující invenci, schopnostiintuice, se vyskytují ve zvlášť vysokém rozsahu v prvních etapách technického ţivotaproduktu – při vzniku první myšlenky, stanovení a rozpracování úkolu a hledání novýchkoncepcí.Rychlost inovací výrobků jak jiţ bylo ukázáno, se neustále zvyšuje a rychle narůstátaké podíl nových technických systémů – nových principielně nebo koncepčně. Mezi takovétechnické systémy patří průmyslové roboty a počet nových řešení bude i v dlouhodobéperspektivě vysoký, zvláště u servisních a personálních robotů. Z toho důvodu je třebaspecifikovat metody a prostředky pro uvedené etapy vývoje produktu, zdokonalovat je aověřovat jako komplexní linku k podpoře vývoje i k ověřování výsledků návrhu.Název etapy Základní kroky KomentářStanovení úkolu Upřesnění typu úkolu(poţadovaných účinků)Inovační – dílčí, komplexníNová koncepceNový principStanovení cílůK ţádaným účinkůmStanovení poţadavkůPoţadavkový listTvorba koncepcíNavrhováníUpřesnění technického procesu(technologický princip a postup)Stanovení funkční strukturyStanovení orgánové strukturyVypracování hrubé stavebnístrukturyVypracování úplné stavebnístrukturyPodle typu úkolustanovení a optimalizaceanalýza a optimalizaceVarianty technického procesu –principů nebo sekvencíVarianty a optimalizace FSAplikace morfologické maticeVarianty a optimalizace OSVarianty a optimalizace SSPředběţné výpočtyUrčení technických vlastnostíKontrolní výpočtyDetailování úplné Vypracování dílenských výkresůstavební strukturyTab. 1.2.2. – 1 Základní etapy a kroky konstrukčního procesuKontrolní výpočty21

Výchozí poznatky ke studiu předmětuTransformace počátečních informací do komplexní a vyčerpávající informace o nověnavrţeném produktu (jeho úplná stavební struktura), ať jiţ zachycená ve výkresovédokumentaci nebo v počítačovém modelu, je obecně činností s vysokým podílem rizika.Sloţitost vztahů mezi poţadovanými vlastnostmi technického systému (poţadavky) ahledanými konstrukčními vlastnostmi, vyţaduje většinou vícenásobné opakování iteračníhocyklu, na základě postupné konkretizace, přičemţ se postupuje od neúplných údajů k úplnýma od předběţných hodnot a odhadů ke konečným.V nové situaci (konkurence, globalizace, rychlost inovací, progrese prvků TS,mechatronický přístup aj.) je nezbytné změnit metody a prostředky, pro návrh novéhotechnického systému. Při vědomí omezeného času, který je k dispozici pro vstup novéhotechnického systému na trh, třeba hledat postupy návrhu, které vyhovují následujícímkritériím:pravděpodobnost dosaţení správné funkce (funkcí) po uvedení technickéhosystému (TS) do provozu,pravděpodobnost progresivnosti TS, v době uvedení do provozu,pravděpodobnost technické a ekonomické realizovatelnosti v etapě realizace.Výsledkem technické tvůrčí práce je uspokojení určitého poţadavku společnostikonkrétním účinkem, který je zpravidla spojen s výrobkem. Proces, který můţe véstk vytvoření takového výrobku označujeme jako konstrukční.Cílem konstrukčního procesu je návrh optimálního výrobku, v daných podmínkách,v co nejkratším čase a s minimálními náklady. Zde se střetávají dva pojmy, které jsou ústřednípro další uvaţování. Výrobek, který nadále budeme označovat obecněji jako technickýsystém (TS) a konstrukční proces – jako sled kroků a pouţitých metod, které vedou k výšeuvedenému výsledku. Má-li být technický tvůrčí pracovník – v našem případě konstruktér -úspěšný při návrhu nového nebo inovovaného TS musí mít relevantní poznatky o oboupojmech. Přitom nejobtíţnějším krokem v tomto postupu je překonání základního rozporumezi rozhodovací významností a informační (ne)určitostí, zejména v prvních etapách návrhuTS.Obecný model postupu tvorby technického systému, který budeme uplatňovat přinávrhu zcela nového produktu vychází z níţe uvedených okolností.K tomu, abychom mohli vytvořit nový objekt – výrobek – technický systém, kterýbude uspokojovat naše potřeby, musíme nějakým způsobem transformovat vlastnosti látekz přírodního stavu do stavu, který poţadujeme k dosaţení určitého účinku. Situaci lzeznázornit pomocí ustálené terminologie. BB – černá skříňka představuje konkrétní, nám zatím22

Výchozí poznatky ke studiu předmětuoperátoryneznámý transformačníproces (změna stavu), ojehoţ nalezeníusilujeme. V rámcitohoto procesu budemeoperand BLACK BOXzpracovávat matériivstupytransformační proces(označovanou jakooperand) na vstupu vevýstupy stavu 1 do ţádanéhostavu 2 na výstupu z BBTab. 1.2.2. – 2 Černá skříňka představující konkrétní, ale zatím neznámý (tab. 1.2.2.-2). Procestransformační procesproběhne pomocíurčitých prostředků –operátorů, které svými účinky působí na operand. Změna se odehrává v okolním prostředí –místě a čase. Transformační procesy mohou být různého druhu – např. chemické, biologické,aj. Pro technické procesy, které nás zajímají, lze vyuţít schéma podle tab. 1.2.2.-3.operátoryTechnický proces jeumělou transformací, zauţití technickýchprostředků a účastičlověka, vědeckýchoperand s1 technický proces operand s2poznatků a řízenívstupy technologie výstupy(operátorů). Konkrétnízpůsob jak setransformace přiTab. 1.2.2. – 3 Transformační proces realizovaný jako technický procestechnickém procesuprovádí je označovánjako technologie. V rámci konkrétní pouţité technologie jsou potřebné zpravidla i další –vedlejší vstupy (operandy), jako jsou zdroje energie, informace, pomocné materiály (maziva,chladiva, aj.). To platí i pro výstupy.Transformační procesy realizujeme technickými systémy konkrétního druhu, avšakzcela obecně můţeme uvést souhrn vlastností, které technické systémy musí mít, abyvyhověly konkrétnímu uţivateli. Technické systémy dodávají, spolu s člověkem, účinky,které provádí transformaci. Transformační účinky – hlavní účinky jsou doplněny účinkypomocnými, pohonnými, regulačními, spojovacími a nosnými. Soustava účinků(označovaných také jako funkce) vytváří tzv. funkční strukturu TS. Kaţdá funkce (účinek)můţe být zpravidla fyzicky realizována určitým seskupením jednoduchých stavebních prvků– orgánem (loţisko, spojka). TS pak má i svoji orgánovou strukturu a stavební strukturu.Kaţdý TS je nositelem různých vlastností, klasifikovaných do tříd, s jejich různými stavy atechnickými parametry. Přehled vlastností je v obr. 1.2.2. –2.Je očividné, ţe z první představy o účelu výrobku (účelové funkci) nelze přímo dojítk představě o konečném produktu, který má doloţenu technickou dokumentaci v potřebnépodrobnosti, odpovídající zmíněné tabulce.K účelu (účelové funkce), pro který bude výrobek určen a uveden na trh, lze dojít přesdílčí funkce sestavené do struktury s moţnými variantami. K dílčím funkcím hledáme moţnévarianty fyzické realizace, označované jako orgány. Protoţe i orgány lze variabilněstrukturovat nabízí se výběr moţných realizací, podléhajících výše zmíněným kriteriímv procesu hledání optimálního výsledku.23

Výchozí poznatky ke studiu předmětu2.Obr. 1.2.2. – 2 Přehled vlastností TS24

Výchozí poznatky ke studiu předmětuPři vzniku nového nebo inovovaného produktu musíme vzít v úvahu nejen obtíţnostřešení základního technického rozporu, ale i sloţitost výsledného produktu (obr. 1.2.2 - 2).Nelze proto z tohoto důvodu jít přímou cestou od vzniku nápadu ke konečné podoběproduktu, nebo jen za cenu mnoha chyb, nákladů a ztrát času, případně s vyuţitímnepřípustného kopírování cizích řešení, patentů či vynálezů.Konstrukční proces je nezbytné posuzovat jako jiné procesy a proto lze pouţít výšeuvedené terminologie pro jeho analýzu (obr. 1.2.2. - 3).operátoryoperand s1vstupykonstrukční proceskonstrukční metodyoperand s2výstupyObr. 1.2.2 - 3 Konstrukční proces jako transformaceVýstupem konstrukčního procesu je optimálně navrţený výrobek, zatímco za vstuppovaţujeme zadání – soupis poţadavků (poţadavkový list). Úkolem konstrukčního procesu jepak transformace poţadavků zadání na popis technického systému prostřednictvím relevantnítechnické dokumentace.Operandem konstrukčního procesu je informace, kterou měníme v jeho průběhuv uvedeném rozsahu. Operátory konstrukčního procesu jsou: konstruktéři, technicképrostředky pro konstruování, informace pro konstruování, řízení konstruování.V rámci konstrukčního procesu lze identifikovat jako nejfrekventovanější činnosti –stanovení úkolu, hledání řešení, hodnocení řešení a rozhodnutí o dalším postupu. Ţádnáz těchto činností není jednoduchá avšak jednoznačně nejobtíţnější a na druhé straněrozhodující z hlediska úspěšného výsledku návrhu je hledání řešení. Existuje mnoho modelůod mnoha autorů, které byly a mohou být úspěšně pouţívány v praxi. Podle obtíţnosti tvůrčíúlohy se mohou osvědčit i zcela triviální postupy na jedné straně a jsou úlohy, na které ţádnáz metodik neuspěje. Neúspěch je jednoznačně spojen s etapou hledání řešení. Modely postupupři konstruování jsou zaloţeny především na principu rozdělení sloţitého úkolu (návrhu TS)na řadu úkolů jednodušších.Historicky nejčastěji uţívaným postupem je postup iterační, kdy se vycházíz předběţně předpokládaných určitých znaků (účinků) a několika důleţitých vlastností hledáse přibliţné řešení, které se v dalších krocích zpřesňuje. Nevýhodou je časová náročnost anejistota docílení úspěšného výsledku.Pokusy o propracování a zobecnění postupu při konstruování vedly k návrhu tzv.obecného modelu tohoto postupu, jehoţ struktura se objevuje u více autorů (obr. 1.2.2. – 4,5).25

Výchozí poznatky ke studiu předmětuObr. 1.2.2. - 4 Postup konstrukčního procesuv části tvorby koncepcíObr. 1.2.2. - 5 Postup konstrukčního procesuv části navrhování TSNaznačený postup umoţňuje rozčlenit ţádaný účinek TS (hlavní funkci) na funkcedílčí a tím i zjednodušit problémy při jejich realizaci konkrétními orgány. Variability můţemedocílit na různých úrovních konstrukčního procesu, především však v rámci návrhu funkčnístruktury, s vyuţitím morfologické matice (obr. 1.2.2. – 6).26

Výchozí poznatky ke studiu předmětuObr. 1.2.2. – 6 Morfologická matice s výběrem a hodnocením variant orgánové struktury1.2.3. Metody CAI - TRIZTRIZ - tvorba a řešení inovačních zadání je metodikou technické tvůrčí práce, kterávznikala před 60 lety, na základě důkladného studia více neţ 1,5 mil. patentů a vynálezů.Autorem a vedoucím kolektivu byl G. S. Altšuller. Získané závěry pro tvůrčí technickou prácimohly být účinně vyuţity aţ ve spojení s výpočetní technikou tak, aby mohla být okamţitě kdispozici, na základě vhodných pravidel a mocné databáze. Laboratoř v Minsku zpracovalazáklady expertního systému počítačové podpory Invention Machine nad částmi TRIZ.Mimořádná expanze TRIZ a expertního systému do velkých světových firem, škol a institucízačala po roce 1996, kdy byla práva na tento programový produkt převedena do USA.Tvůrčí technická činnost se zabývá řešením úloh s neznámým postupem řešení.Dlouholeté pokusy o nalezení logického postupu, který by vedl spolehlivě k vyřešenítakových úloh nevedly k úspěchu, byť literatura k tomuto problému je mimořádně bohatá.Vznik velkých vynálezů přinášejících významný prospěch lidstvu i ţivotopisy jejich autorůvedly k opakovanému popisu situací, před a po vzniku nápadu na řešení. Nicméněidentifikace rozhodujícího okamţiku vzniku tohoto nápadu zůstává zahalena tajemstvím a jeotázkou zda můţe být smysluplně (tj. vyuţitelně) vůbec někdy odhalena.Metodika konstruování jako věda, která bez jakýchkoliv pochyb významně pomohla apomáhá tvorbě nových technických systémů, se vztahuje především na algoritmizovatelnépostupy z oblasti technické tvůrčí práce. Mezi ty ovšem nepatří právě proces zrodu novýchmyšlenek vedoucích k zásadním inovacím. Samozřejmě generace konstruktérů a vědců,27

Výchozí poznatky ke studiu předmětupůsobících v této oblasti našly způsoby jak podpořit vznik nových nápadů, čehoţ svědkem je iintenzivní vývoj v technice posledních několika desetiletí.TRIZ, jako metodika práce právě pro tuto oblast, přinesla něco řádově nového, propodněcování invence a probouzení intuice člověka, coţ potvrzují informace o výsledcích jejíaplikace, ve světově významných výzkumných a vývojových centrech. Jen mnoţstvíinformací a publikací, uvedených na internetu za posledních několik let, zaznamenalonebývalý nárůst.Altšuller usiloval o získání silného řešení bez opakování velkých počtů neúspěšnýchřešení metodou pokus - omyl a protoţe jeho zkoumání patentů vlastně sledovalo cestu mnohavýzkumníků, kteří, na rozdíl od jiných, uspěli, mohl učinit závěry o způsobech které vedou kúspěchu při hledání nových myšlenek.TRIZ je postaven na: zákonitosti objektivně existujících tendencí rozvoje technických systémůprincipech překonávání technických rozporů.TRIZ obsahuje dvě základní součásti: FNA - funkčně nákladovou analýzu (kap. 3.4.2.), kterou chápeme jako strategiiřešení, která hledá odpověď na otázky co a proč má být v technickém systémuzdokonaleno aARIZ - algoritmus řešení invenčních zadání, který je taktickým postupem,podporujícím hledání řešení zadání získaných v rámci FNA, odpovídá tedy naotázku jak hledat řešení.Moţnosti TRIZ byly umocněny aplikací algoritmů na výpočetní techniku a vytvořeníexpertního systému - počítačové podpory CAI (invence, myšlení), v současné podoběoznačované jako TechOptimizer .Při práci s tímto systémem je řešitel expertním systémem veden k podrobnémurozboru technického problému (FNA), aby byla nalezena inovační úloha. K ní pak získávářešitel řadu relevantních doporučení a informací (ARIZ), které podněcují jeho myšlení ksyntéze problému. V ţádném případě tedy systém nevyřeší problém sám (k velkému zklamáníuţivatelů začátečníků), ale nabízí tvrdou práci, většinou jiţ v těţišti problému, vyţadujícímimořádnou koncentraci myšlení (coţ uţivatel, který přistupuje k řešení zodpovědně, poznápsychickou únavou po 2 - 3 hodinách takové činnosti).Přece jen existuje i moţnost, ţe řešení je nalezeno přímo v rámci ARIZ. Je to vpřípadě pouţití Internetového asistenta a dohledání řešení v databázi patentů USA, EU neboJaponska a zahájení řízení o získání moţnosti licenčního vyuţití patentu pro vlastní TS.Výsledkem funkčně-nákladové analýzy jsou správně formulovaná inovační zadáníodvozená z analýzy prvků, vazeb, funkcí a nákladů na jejich realizaci. To je mimořádnědůleţitý výsledek, protoţe pochopitelně nesprávná formulace zadání znamená zbytečněvynaloţenou intelektuální činnost, nákladové a časové ztráty.Výsledkem FNA je přehled zadání na: likvidaci škodlivých funkcí, příp. důsledků působení škodlivých funkcí,posílení funkcí s nedostatečným stupněm plnění funkcí,oslabení funkcí s nadbytečným stupněm plnění funkcíautomatické udrţování souladu skutečného stupně plnění funkce s potřebnýmstupněm jejího plněnísoulad hodnoty parametru s několika rozpornými poţadavky.28

29Výchozí poznatky ke studiu předmětuIdeálnost TS je hodnocena na základě poměrné efektivní hodnoty vysvětlenév principech hodnotové analýzy. O jejíţ zvýšení se snaţíme různými postupy, či jejichkombinací. V etapě ukončené FNA je nejefektivnějším způsobem zvyšování ideálnosti TSodstraňování (funkce) těch prvků systému, které způsobují neţádoucí efekty, jsou málofunkčně významné a přitom je moţné jejich uţitečné funkce předat jiným, v TS jiţexistujícím prvkům. Je zde třeba podotknout, ţe jde o moţnost, nikoliv jistotu, ţe takovouoperaci bude moţno provést. V kaţdém případě úprava struktury objektu trimováním vede kezjednodušení systému, sníţení nákladů na výrobu, ale i ke zvýšení jeho spolehlivosti.Dalším postupem ke zvyšování ideálnosti je zvyšování počtu uţitečných funkcí astupně jejich plnění. Je nutné brát v úvahu i moţné varianty, např. zvyšování funkčnosti, přizvyšování nákladů, kdy F roste rychleji (výrobek na trhu bude s další funkcí pro uţivatele takzajímavý, ţe je ochoten více zaplatit).Je moţné rovněţ pouţít přenosu charakteristik konkurenčních TS, které se na základěanalýzy těchto TS jeví jako výhodné-V etapě syntézy TS je k dispozici řada zadání inovačních úloh, na základě analýzyproblémových situací a po vyřešení některých z nich trimováním nebo zvýšením funkčnosti.Následuje aplikace proces jejich řešení podle druhé části metodiky TRIZ, podle algoritmuřešení inovačních zadání ARIZ.Formulace inovačních úloh vede k odhalení technického, případně fyzikálníhorozporu, k vytvoření modelu problému nebo k potřebě změny některé technické funkce.Odhalené technické rozpory lze překonávat doporučovanými heuristickými postupy, fyzikálnírozpory lze řešit doporučenými kombinacemi standardních postupů s přírodními jevy a efektya potřebné funkce v TS lze porovnat s moţnostmi poskytovanými jevy a efekty přírodníchzákonitostí.Technické rozpory - za odhalení technického rozporu povaţujeme tak formulovanézadání inovační úlohy, ţe víme co změnit i jak to změnit, ale jen za cenu, ţe se nějakávlastnost nebo parametr nepřípustně zhorší. Jestliţe najdeme takové protikladné tendence vúloze, nabízí nám ARIZ pro jejich překonání 39 heuristických postupů, které v databáziposkytují asi 1250 typických způsobů překonání technických rozporů.Př.: Chceme zvětšit tuhost ramene pohybové jednotky robotu, coţ je moţné úpravouprůřezu ramene, ale zhorší - zvětší - se jeho hmotnost. V tomto případě je zlepšovanýmparametrem tuhost a zhoršujícím se hmotnost, hledáme vhodné parametry, které jsou vdatabázi k dispozici. Hmotnost najdeme ve vyjádření "hmotnost pohyblivého objektu",zatímco tuhost v databázi nenajdeme, ale zástupným parametrem můţe být napětí. Pak jsounám doporučeny k překonání rozporu principy:10 - princip předběţného vykonání36 - princip vyuţití přechodů mezi fázemi37 - princip vyuţití tepelné roztaţnosti40 - princip pouţití kompozitních materiálůBez další podrobnější analýzy a vysvětlení všech těchto moţností (samozřejměnemusí být schůdná ţádná, jde jen o moţnost, která se jiţ v praxi, podchycené v patentech,vyskytla a pomohla překonat srovnatelný technický problém), je jistě vhodný princip vyuţitíkompozitních materiálů, kterým se aktuálně výzkum také zabývá.Fyzikální rozpory - hlubší analýzou technického rozporu (nenajdeme-li vhodný heuristickýprincip k jeho překonání) lze nalézt jeho podstatu, fyzikální rozpor. Jde o situaci, kdy víme codělat a jak toho docílit, ale neznáme způsob dosaţení tohoto cíle. Rozporný poţadavek jekladen na stav hmoty jedné části nebo jednoho prvku systému. Fyzikální rozpory jsouřešitelné rozloţením rozporných poţadavků v čase nebo v prostoru nebo změnou strukturysystému. ARIZ nabízí k řešení standardní postupy, které se osvědčily v modelově stejné

Výchozí poznatky ke studiu předmětusituaci ačkoliv mohlo jít o zcela jinou oblast techniky. Uplatňují se zde standardy např. typu -modifikace látek nebo polí, náhrada látek, segmentace prostoru aj., ve kterých se současněprosazují obecné trendy vývoje technických systémůEfekty - řešení technického problému lze nalézt v některých případech taképorovnáním poţadované funkce s databází fyzikálních, chemických a geometrických jevů aefektů. Potřebné funkce přitom většinou identifikujeme na základě zjištěných fyzikálníchrozporů. Kaţdý efekt je v databázi výstiţně popsán, včetně případů aplikací v technice avazbami na databázi patentů. Je nezbytné posoudit jsou-li k dispozici potřebné zdroje látek apolí.1.2.4. Funkčně nákladová analýzaTvorba a řešení inovačních zadání (TRIZ) je soubor metod podporujících hledánířešení technických problémů. Na tomto místě se zmíníme o Funkčně - nákladové analýze(FNA), která pomáhá konstruktérovi co a proč má být v technickém systému zdokonaleno. Tavychází z principů hodnotové analýzy. Její postupy jsou realizovány prostředkem počítačovépodpory TechOptimizer, jeho analytickými moduly (analýza produktu, analýza procesu).FNA má poskytnout správné zadání pro inovaci výrobku nebo technologickéhoprocesu, na základě analýzy funkcí a nákladů na jejich realizaci. Nesprávně formulovanézadání můţe být natolik zavádějící, ţe pokud vůbec je technický problém nakonec vyřešen, jeto za cenu značných časových a finančních ztrát a především ztráty pozice na trhu.Analýza komponent a struktury objektu - objekt jako systém má svouhierarchickou strukturu – sestává ze subsystémů aţ několika úrovních a jejich prvků. Lze tedyvţdy vytvořit hierarchický strom odpovídající zkoumanému objektu. Pro potřeby analýzyvytváříme komponentní model, který z celého objektu zahrnuje prvky (komponenty) jen jednéúrovně a případně prvky nejblíţe niţší úrovně. Jinak se model stává nepřehledným. Dokomponentního modelu zařazujeme také prvky nadsystému – do systému nepatří, ale s jehoprvky vcházejí nějakým způsobem do interakce. Analýza se přitom provádí vţdy prokonkrétní podmínky – čas a místo, případě pro konkrétní etapu ţivota objektu. Přivyjasňování komponentního modelu současně jiţ vytváříme seznam neţádoucích efektůobjektu. Následně vyšetřujeme vazby mezi prvky objektu (i nadsystémy), a to i s ohledem načasový faktor a zaznamenáváme do grafu. Při velkém počtu prvků je výhodné vypracovatmatici vazeb mezi prvky. Vazba (působení) můţe mít mnoho forem – fyzická, tepelná,magnetická, elektrická, chemická, informační, aj. Posledním prvkem grafu je „výrobek“vyšetřovaného komponentního modelu – čímţ rozumíme prvek, který je nositelem účelu,účelové (příp. hlavní) funkce daného objektu, nebo jeho vyšetřované části. (Např.„výrobkem“ mechanické úchopné hlavice jsou čelisti, pohonu – výstupní hřídel převodovky,ap.). Vyšetřování vazeb odhaluje uţitečná i neţádoucí (škodlivá) působení mezi prvky.Odhalená neţádoucí působení jiţ mohou být podněty pro jejich odstranění (a tím zlepšeníobjektu). Ne všechna působení mohou být hned odhalena a lze je kdykoliv doplnit.Analýza funkcí - Vyšetřené vazby mezi prvky navzájem (a „výrobkem“ i nadsystémy)jsou realizovány konkrétním působením mezi nimi. Konkrétní prvek je tedy nositelem funkce– jako projevu vlastností materiálního objektu, který vede ke změně nebo zachováníparametrů (důkaz o existenci funkce) jiného prvku. Funkce znamená působení prvku naobjekt za určitých okolností (podmínek, parametrů). Nutno zdůraznit, ţe pro jednotnost,stručnost a jasnost vyjádření se působení vyjadřuje buď slovesem v infinitivu nebo ve 3.osobě singuláru. Např. funkce – páka stlačovat (nebo stlačuje) pruţinu. Po identifikaci funkcívytvoříme model funkcí (graficky).30

Výchozí poznatky ke studiu předmětuStručné (jednoslovné) a výstiţné vyjádření působení je zpočátku dosti obtíţné. Avšakjádro příslušné slovní zásoby není příliš rozsáhlé, takţe se doporučuje vytvořit si a doplňovatseznam vhodných sloves a postupně je upřesňovat. Ve srovnání s hodnotovou analýzou imetodikou konstruování se pouţívá poněkud jiné klasifikace funkcí: hlavní funkce objektu – vystihuje jeho hlavní účel (ale zkoumaným objektemmůţe být jak systém, tak i podsystém, součást, nebo i konstrukční prveksoučásti (např. břit noţe),základní funkce – zajišťující realizaci hlavní funkce,pomocná funkce – zajišťující realizaci základní funkce.Z obr. 1.2.4. - 1 je zřejmé, jak je objekt členěn na prvky a jak se k ním váţí jednotlivéfunkce .. Mimo hlavní funkce celého TS, jsou zde i hlavní funkce jednotlivých prvků - např.působení 3 je HF prvku 2. Působení 1 prvku 3 je základní funkcí (ZF), protoţe bezprostředněpůsobí na výrobek a zajišťuje plnění HF TS. Prvky 2 a 4 realizují působení 3 a 2 na prvek 3(čímţ mu umoţňují plnit ZF) a označují se v tomto smyslu jako pomocné funkce 1. řádu - A1.Prvek 2 tedy plní pomocnou funkci 1. řádu. Prvek 1 pak na prvek 2 musí realizovatpomocnou funkci 2. řádu pro základní funkci.Obr. 1.2.4. – 1 Struktura prvků a funkcí objektuZ uvedeného je zřejmé jak se určuje řád funkce; na němţ závisí významnostjednotlivých prvků pro TS a závěry o potřebných změnách TS. Čím dále je prvek od výrobku,tím je jeho význam pro TS menší, protoţe méně ovlivňuje (podporuje) prvek se základnífunkcí.Funkční schéma můţe být někdy, pro velký počet prvků a vazeb, nepřehledné. Pakpracujeme pouze s prvky a vazbami, které pokládáme za nejdůleţitější. Z analýzy funkcí lzepřímo vypracovat soupis zadání na – likvidaci škodlivých funkcí, likvidaci důsledků působeníškodlivých funkcí, na posílení funkcí s nedostatečným stupněm plnění funkcí, na oslabenífunkcí s nadbytečným stupněm plnění a soupis návrhů na jejich řešení.31

Výchozí poznatky ke studiu předmětuShrnutí kapitolyV této kapitole jste si připomenuli dříve studované základní poznatky nezbytné pro pochopenínové látky. Týká se to především pojmů:• Kinematické struktury PR, jejich ústrojí a prvky• Obecný model postupu konstruování robotických systémů v posloupnosti – blackbox, technická transformace, technologie, dílčí funkce, orgány, morfologickámatice, orgánová struktura a hodnotící metody• Metody řešení technických rozporů a hledání inovací – TRIZ• Fukční a nákladová analýza – její smysl a uţitíDoporučuji projít záznam přenášek z předmětů prerekvizitKontrolní otázky1) Které jsou základní (nejvíce frekventované) kinematické struktury PR?2) Jaká jsou kriteria pro volbu kinematické struktury?3) Co je obecný model postupu konstruování a v čem je jeho význam?4) Na čem je zaloţena funkční a nákladová analýza?5) Kdy je výhodné uţít metodiku TRIZ?Úkol k řešeníNaskicujte základní struktury PR ve zvoleném souřadném systému, včetně odpovídajícíchpracovních prostorů!32

Současné robotické systémy1.3. SOUČASNÉ ROBOTICKÉ SYSTÉMYPo úspěšném a aktivním absolvování této KAPITOLY budete umět:• Popsat základní sortiment konstrukcí robotických systémů, kterése dnes v praxi vyskytují• Definovat významné problémy a rozpory, s nimiţ se konstruktérpři návrhu robotických systémů setkává• Diskutovat překrytí problematiky robotických systémů a jinýchmechatronických systémů, jejichţ postupy návrhování apotřebné poznatky jsou shodné s robotickýmiCíle kapitolyRoboty – koncepce sériové a paralelní, k-klouby, problémy, navrhování,mechatronické systémy.Klíčová slovaČas ke studiu: 3 hodinyVÝKLADVzhledem k tomu, ţe vývoj konstrukcí robotů pokračuje stále velkou rychlostí a navícjsou rodiny robotů světových výrobců běţně dostupné na internetových stránkách, budouv této kapitole uvedeny jen vybrané typy robotů, představující to podstatné ze stávajícíprodukce v určitém srovnání, na jehoţ základě se lze v dalších kapitolách odvolávat při volběpostupů pro konstrukční řešení. Zmíněny budou také typy robotů které nebyly předmětemvýuky v předmětu Průmyslové roboty a manipulátory (které se zabývaly jen základnímipoznatky z konstrukce robotů).1.3.1. Průmyslové robotyV této kategorii si prioritu zachovává (co do rozsahu světové výroby) koncepceangulárních robotů i kdyţ s mnoha novinkami uţitých prvků agregátů i subsystémů. Mimotradičně největší rozšíření sériových koncepcí průmyslových robotů zaznamenáváme výraznézvýšení počtu konstrukcí u paralelních typů robotů.Paralelní koncepce robotůPrvní konstrukční řešení stroje s paralelní kinematickou strukturou se objevilo předvíce neţ padesáti lety. Základem pro tyto stroje je Stewartova plošina publikovaná v roce1965 D. Stewartem. Jde o upořádání šesti délkově proměnných tyčí spojujících nepohyblivýrám stroje pomocí kardanových nebo kulových kloubů s pohyblivou plošinou. Snaha osníţení pohyblivých hmot a nasazení vysoce dynamických pohonů se stala cílem u novýchstrojů s paralelní kinematikou (PKM - Parallel Kinematic Machines). V letech 1970 - 198933

34Současné robotické systémybylo neúspěšně vyrobeno několik modelů s touto strukturou, které naráţely na technickéobtíţe. Tyto kinematické struktury se začaly poprvé pouţívat u strojů obráběcích laserovýmpaprskem. Pro konstrukční řešení takových strojů však musela být vyvinuta také řada novýchkonstrukčních prvků.U prvních konstrukcí strojů s paralelní kinematikou (obr. 1.3.1.-1) se objevily určitéproblémy konstrukční a to zejména z nedostatku komponent, které by umoţňovaly realizovatpoţadavky kladené na tyto struktury. Aţ vývoj nových vhodných komponent umoţnil prudkýrozvoj těchto robotů a jejich realizaci, v nejrůznějších variantách a pro celou řadu aplikací.Podstatnými prvky proúspěšnou konstrukci paralelníchrobotů jsou klouby a tyče, kteréovlivňují zásadně přesnostrobotu. Klouby nejsou zcelanovou záleţitostí, byly jiţ běţněpouţívány také vautomobilovém a zemědělskémprůmyslu, avšak poţadavkykladené na jejich pouţití přistavbě těchto strojů jsou dostiodlišné od jiţ pouţívanýchObr. 1.3.1. – 1 Časté řešení kinematického řetězce paralelníhorobotuaplikací. Jsou to předevšímvysoká tuhost, vysoká statickáúnosnost, nízká hmotnost,vysoká přesnost, malé opotřebení, dlouhá ţivotnost a v neposlední řadě jiţ zmiňovanédostatečně velké úhlové rozsahy.Pro konstrukci paralelních kinematických struktur je zapotřebí kloubů se dvěma itřemi stupni volnosti. Specifické poţadavky na různé aplikace hexapodů vedly k vývojirůzných typů. U aplikací pro obráběcí stroje je nutné dosáhnout maximální tuhosti a přesnostikloubů, u manipulačních zařízení je zase třeba velkých úhlových rozsahů, k získání velkéhopracovního prostoru a důleţitá je i nízká hmotnost kloubů kvůli poţadované velké rychlostipolohování. Tyto základní poţadavky vedly k vývoji tří druhů kloubů.Kulové klouby (3 stupně volnosti)Kontakt kuliček v kulovém kloubu představuje v podstatě valivé vedení na kulovéploše. Velký počet malých kuliček, které jsou pouţity jako valivá tělíska, způsobuje nízkéhodnoty Hertzova tlaku mezi vnějším pouzdrem kloubu a kuličkami a také mezi kuličkami aspodní kulovou plochou. Avšak tyto příznivé podmínky mohou být dosaţeny jen při velmivysoké geometrické přesnosti kontaktních kulových ploch. Vysoká únosnost a tuhost těchtokloubů umoţňuje jejich vyuţití především u obráběcích strojů. I přes pouze bodový kontakt jedosahována vysoká tuhost niţším předpětím díky příznivému rozloţení zatíţení. Tyto kloubynabízejí nejvyšší hodnoty tuhosti a únosnosti. Dokonalé těsnění kloubu je nezbytné k jehodlouhodobé činnosti.Univerzální klouby (2-3 stupně volnosti)Univerzální kloub je vhodný pro aplikace u manipulačních zařízení. Jeho nízkáhmotnost a velké geometrické rozsahy umoţňují konstruovat struktury vystavené vysokýmzrychlením a rychlostem ve velkých pracovních prostorech. K udrţení tuhosti v příslušném

Současné robotické systémyúhlovém rozsahu kloubu je limitována koncová poloha kloubu v druhé ose otáčení. Maláopěrná plocha valivých tělísek a pouţití jehlových loţisek způsobují značné sníţení tuhosti vporovnání s kulovými klouby.Univerzální kloubyKardanové klouby jsou obvykle pouţívány k přenosu krouticích momentů a spojeníhřídelí s osovou výchylkou. U paralelních struktur musí být tahové a tlakové sílyzachycovány právě klouby, u nichţ je třeba zajistit vysokou tuhost. Pro tento účel byl nábojkloubu optimalizován metodou konečných prvků pro tahové a tlakové zatíţení. Pouţitáloţiska jsou typu radiálně-axiálních jehlových loţisek. Tato poskytují nejvyšší dosahovanétuhosti, mají dokonalé těsnění a jsou dnes standardním prvkem na trhu s valivými loţisky.Kardanové klouby vyplňují mezeru mezi kulovými klouby na straně jedné a univerzálnímiklouby na druhé. Při vysoké tuhosti dovolují klouby velké úhlové rozsahy. Opět zde však platídiagram omezení úhlových rozsahů. Kardanové klouby jsou vhodné pro pouţití u velkýchpracovních prostorů a při poţadavcích vyšší tuhosti.Uvedené klouby pracují v prostředí od -30 do 120 °C a jsou mazány speciálními tuky,kterými jsou naplněny jiţ od výrobce. Po přibliţně dvou letech uţívání je doporučeno opětklouby namazat.Tyče pro paralelní strukturyPrincip tyče je podobný hydraulickému válci. Vnitřní tubus se posouvá ve vnějšímpomocí předepnutého valivého uloţení. V závislosti na poţadované tuhosti je pohon tubusuřešen kuličkovým nebo planetovým šroubem. Šroub je jednostranně uloţen v loţisku.Namáhání plošiny je přenášeno na tahové a tlakové zatíţení kloubů. Příčná síla ve valivémvedení se objevuje jen při zrychlování teleskopu. Rozhodujícím faktorem tuhosti tyče je jejízdvih.Druhy paralelních koncepcí (kinematických struktur)na:Základní rozdělení paralelních kinematických struktur je dle počtu stupňů volnosti a to3 stupně volnosti - TRIPOD (obr. 1.3.1.-2)6 stupňů volnosti – HEXAPOD (obr. 1.3.1.-3)více neţ 6 stupňů volnosti – NANOPOD (obr. 1.3.1.-4)Obr. 1.3.1.-2 TRIPODY35

Současné robotické systémyObr. 1.3.1.-3 HEXAPODYObr. 1.3.1.-3 NANOPODY1.3.2. Servisní robotyServisní roboty zaznamenaly v posledních letech velmi rychlý rozvoj ve všech svýchsubsystémech i prvcích, přičemţ mnohé přebírají z vývoje průmyslových robotů, coţ dávánové moţnosti i výrobcům PR. Oblasti nasazení servisních robotů se stále, s jejich rostoucítechnickou úrovní, rozšiřují. Sloţitost prostředí a proměnlivost pracovní scény i nárokyservisních činností, které mají vykonávat, vedou k odpovídající velké sloţitosti konstrukcírobotů a jejich subsystémů i formulaci nových úkolů, které před tvůrčími pracovníky přijejich návrhu stojí.V této kapitole nejde o vyčerpávající přehled existujících konstrukcí, ale o představenívariability servisních robotů z hlediska cílů i problémů, které musí konstruktér řešit. Z tohopak vyplývají poţadavky na nástroje a prostředky pro jejich tvorbu. Náročnost je tím větší, ţeu mechatronických systémů, kterými roboty jsou v bezpochyby nejkomplexnějším pojetítohoto pojmu, ţe sloţitost mechanické konstrukce samotné musí respektovat poţadavky alimity dalších subsystémů – řídicích, senzorických, navigačních, aj.Mechanický systém SR zahrnuje přitom subsystémy, které staví před konstruktéravelmi náročné úlohy, Pro pohyb servisních robotů slouţí mobilní subsystémy, u nichţ jsouvariabilita a úlohy k řešení odvozeny od sloţitosti a druhu terénů, po kterých se mápohybovat. Rovněţ moţnosti pohybů adekvátní terénu jsou realizovatelné značně odlišnýmipostupy, kterých je dnes rozvinuto velmi mnoho. Přitom nejde jen o schopnost pohybuv terénu, ale také o dobrou manévrovatelnost a moţnosti řízení pohybu (mechanika řízení).36

37Současné robotické systémyDalší sloţité problémy vznikají v oblasti manipulačního subsystému, ať jiţ manipuluječímkoliv – efektory, nástroji, přístroji, agregáty, lidmi, aj. Mnohé lze převzít z manipulačníchsubsystémů průmyslových robotů, ale vznikají zde i nové poţadavky a nová omezení.Specifické problémy vznikají při realizaci servisních činností, jejichţ spektrum je i dobudoucna prakticky neomezené a případ od případu s velkým spektrem poţadavků i limitů.Servisní činnosti jsou realizovány technologickými subsystémy, které nemohou být jednodušepřevzaty z dosud známých strojů pro konkrétní druhy servisních činností.Další technické problémy vznikají z potřeby zajistit pohyb elektropohony bez vnějšíhopřívodu energie a tedy s dostatečnou kapacitou baterií. Podstatnou otázkou je také zajištěníbezpečnosti provozu vzhledem k lidem i zařízení.Následující příklady mají poukázat na technické problémy se kterými se konstruktéřipři návrhu servisních robotů musí vyrovnávat.Mobilní subsystémy – příklady problémů při návrhuPásový podvozek - požadavkyPři návrhu pásového podvozku je třeba brát v úvahu různé konstrukční poţadavky,které se mohou lišit dle účelu, pro který je podvozek navrhován. Některé moţné poţadavkykladené na konstrukci jsou:minimalizace hlučnosti pásového podvozkuminimalizace hmotnosti pásového podvozkudélka podvozku a délka kontaktu pásu s terénemminimalizovat šířku pásového podvozku z hlediska průjezdnosti dveřmis ohledem na konkrétní aplikaci zvolit vhodný typ pásůzajistit stálou napnutost pásuodolnost pásového podvozku proti chemickým či bojovým prostředkůmodolnost pásového podvozku proti radiaciodolnost pásového podvozku proti vyšším teplotám (např. nad 100°C)zvýšit nosnost pásového podvozku s ohledem na aplikaciodpruţení kol pásového podvozkuvelikost překáţek a terénních nerovností, které můţe pásový podvozek překonávatmoţná změna kinematiky pásůstabilita pásového podvozku či objektu manipulace při jízdě a v klidovém stavumaximalizovat délku provozu pásového podvozku na jedno nabití bateriídalší moţné poţadavky (výbušné prostředí, kontaminované prostředí, písečnéprostředí…)Kaţdý z uvedených poţadavků se dále rozpadá na další okruh subproblémů, které seovšem mohou ukázat jako ještě obtíţnější k řešení neţ výše uvedené.Překonávání překážek (obr. 1.3.2. – 1,2):Indoor – schody, prahy, dveře, okna, výlohy, mříţe, nábytek, omezené prostory,kanálové vpustě, zhroucené části budov, aj.Outdoor – dřeviny, močály, písečné duny, sprašový terén, obrubníky, zídky, ploty,koleje, uzamčené nebo havarované automobily, tramvaje a další dopravní prostředky, vodnínádrţe, aj. Podvozek odpovídající různým překáţkám lze vidět na obr. 1.3.2. – 3,4. Zatímco

Současné robotické systémypro nasazení robotu Rover na měsíci bylo moţné předpokládat pohyb po sypkém povrchu, vplánované oblasti nasazení rovinatém a tedy postačoval jednoduchý kolový podvozek, pronasazení na Marsu uţ byla zřejmá potřeba překonávat terén s dosti velkými jednotlivýmikameny, čemuţ i odpovídal sloţitější kinematický řetězec kolového podvozku robotuPathfinder.Obr. 1.3.2. – 1 Překonávání dveříObr. 1.3.2. – 2 Překonávání schodu, valuObr. 1.3.2. – 3 Robot RoverObr. 1.3.2. – 4 Robot PathfinderManipulační subsystém (ve vztahu k mobilnímu subsystému):Kinematický řetězec zajišťující nosnost, rychlost, zrychlení, přesnost, dostupnostpracovního prostoru a orientaci k provedení poţadované činnosti, nízká hmotnost a momentysetrvačnosti, kompaktnost, malé rozměry, skladnost v přepravní poloze, aj.Technologický subsystém (ve vztahu k mobilnímu subsystému):Servisní činnost podle druhu je zajišťována velkým spektrem naprosto odlišnýchtechnologických subsystémů, které opět kladou specifické poţadavky na manipulační imobilní subsystém.Jako příklad poslouţí robot pro překonávání překáţek a odstraňování různých zábran,či záměrný odstřel pyrotechniky – robot destrukční (disrupter), obr. 1.2.3. -5,6.38

Současné robotické systémyObr. 1.3.2. – 5 Robot disrupterObr. 1.3.2. – 6 Robot s různými disrupteryPoţadavky kladené na technologický subsystém – tuhost, zamíření, přesnost,zachycení rázových účinků, aj. se promítnou do poţadavků na manipulační subsystém imobilní subsystém.V následujícím příkladu vedly poţadavky aplikace (rozstřelu) k nové konstrukcitechnologického subsystému - disrupteru, která při zvoleném typu mobilního subsystému sivyţádala návrh nového manipulačního systému s paralelním kinematickým řetězcem (obr.1.3.2. – 7)Obr. 1.3.2. – 7 Paralelní manipulační systém sdisrupterem1.3.3. Mechatronické systémyrobotického typuTechnické systémy, které sice přesněneodpovídají definici robotu, ale mají mnohospolečného s manipulátory a roboty a lze je tedyřešit podle zásad uvedených v tomto studijnímmateriálu, je mnoho. Některé z nich jsoupostupně rekonstruovány tak, ţe je posléze podpojem nebo manipulátor lze zařadit. Příkladyuvedeme v této kapitole. Mohou být mimo jinéinspirací pro další rozvoj servisní robotiky.Lůţkové manipulátoryJde o lůţka pro transport pacientů, častov traumatizovaném stavu, která musí mít vícefunkcí – z hlediska přepravního i lékařského.K usnadnění přepravy je třeba zajistit pojezd s určitými parametry, manévrování, překonávánípřekáţek a často i polohování pacienta. Mezi realizované systémy tohoto typu patří. řadalůţkových manipulátorů americké firmy Medical Positioning Inc.. Příkladem je lůţkovýmanipulátor EP HUT Table (obr. 1.3.2. – 8), který slouţí pro invazivní elektrofyziologii akromě nastavení výšky a naklápění umoţňuje také translační pohyby lůţka v horizontální39

Současné robotické systémyrovině. Pohony naklápění a zdvihu jsou elektrické. Tento lůţkový manipulátor umoţňujezvednutí lůţkové části do kolmé polohy pro pohodlné poloţení pacienta.Obr. 1.3.2. – 8 Lůţkový manipulátor EP HUTTableObr. 1.3.2. – 9 S 4018 Mobile C-Arm ImagingTableObr. 1.3.2. – 10 Stryker, M-Series StretcherObr. 1.3.2. – 11 Savion Industries, Medi-CruiserMS777Uvedené lůţkové manipulátory nejsou určeny pro delší transport pacientů – vazba nazáchranné dopravní prostředky není, nemají vlastní pohon a mají příliš malá kola. Jejich cenaodpovídá robotickým zařízením a pohybuje se podle typu od 20 tis. $ do 50 tis. $.Dalším příkladem můţe být transportní lůţko S 4018 Mobile C-Arm Imaging Tableamerické firmy Gendron Inc. (obr. 1.3.2. – 9), které umoţňuje motorové naklopení lůţka(hydraulické pohony) a nastavení výšky, cena tohoto zařízení je 11430 $.Motorizované lůţko pro převoz pacientů M-Series americké společnosti Stryker (obr.1.3.2. – 10) je uzpůsobené pro rychle se měnící prostředí pohotovostních oddělení nemocnic.Lůţko je plně vybavené a přizpůsobitelné, jeho ergonomický design usnadňuje celkovoumanipulaci, avšak poháněná kolečka nejsou vhodná do terénu.Izraelská společnost Savion Industries (obr. 1.3.2. – 11) se výrobě vybavení prolékařské zařízení věnuje jiţ od 60. let 20. století a v současné době nabízí motorizovanétransportní lůţko Medi-Cruiser. Toto samohybné a všestranné lůţko usnadňuje převozpacientů na různých typech povrchů a při různých sklonech terénu tak, aby usnadnilo prácinemocničního personálu. Základní model je koncipován pro přesun v lékařských zařízeních.40

Současné robotické systémyZáchranářské transportní systémyV České republice i v Evropské unii chybí v oblasti bezpečnostní a záchranářskétechniky robotický víceúčelový lehký transportér navrhovaných parametrů, vyuţitelný vevariantách s operativní změnou parametrů, jak pro záchranu osob i materiálních hodnotv krizových situacích, protiteroristických akcích, katastrofách a haváriích včetně tunelovýchstaveb s kolejovou dopravou, tak i jako dálkově řízený účelový robotický transportér nebotransportér průzkumník.Záchranářské a hasičské jednotky vyuţívají běţné modely terénních vozidel (např.Land Rover u horské sluţby), čtyřkolek, sněţných roleb.V současné době vyuţívají hasičské sbory zásahovou čtyřkolku na známém terénnímpodvozku značky Polaris, typ Ranger 4x4, rakouského výrobce poţární techniky Rosenbauer,(obr. 1.3.2. – 12) vybavenou podnikem Škoda Mladá Boleslav. Zásahová vozidla Polaris, a tojak 4x4, tak i 6x6 jsou ve sluţbách mnoha hasičských sborů světa, zejména však v USA.Pouţívají se při hašení lesních porostů, při zásazích ve stísněných prostorech, v horskémterénu apod. Jejich určení je tedy poměrně různorodé - od vozidla prvního zásahu, pozáchranářský speciál. Od toho se odvíjí i jejich výbava.Českým počinem v oblasti vývojeuţitkového terénního vozidla prozáchranářské účely byl obrněný kolovýobojţivelný transportér OT-64 SKOT(střední kolový obrněný transportér) T8138x8, jehoţ prototyp byl zkonstruován v roce1951 pro potřeby mechanizovaných,spojovacích a dalších speciálních jednotek.První zkušební série byla vyrobenav roce1961. OT-64 – ZDRAV (obr. 1.3.2. –13,14) bez výzbroje byl pouţíván jakosanitní verze. Sanitní provedení obrněnéhoObr. 1.3.2. – 12 Rosenbauer Polaris, typ Ranger4x4transportéru OT-64 mělo demontovanouvěţ a vnitřní vybavení pak bylopřizpůsobeno pro práci lékaře. Uvnitř bylomoţné převáţet 5 sedících nebo 2 pacienty leţící na nosítkách upevněných na speciální nosnýrám. Na svou dobu se transportér vyznačoval velmi dobrou konstrukcí, bojovými a jízdnímivlastnostmi, např. pohonem všech osmi kol, uzávěrkou diferenciálu předních a zadníchnáprav, dvěmaObr. 1.3.2. – 13 OT-64 – ZDRAV41Obr. 1.3.2. – 14 Úprava vnitřního prostoru

Současné robotické systémyřiditelnými předními nápravami, centrálním huštěním pneumatik, planetovou převodovkouPraga Wilson a další. Pohon vozidla byl uskutečňován dieselovým, vzduchem chlazenýmmotorem Tatra, který zabezpečoval bezproblémovou jízdu v terénu i po komunikacích. Nakomunikaci bylo vozidlo schopno dosáhnout rychlosti kolem 100 km/h.Vozidla nejsou schopna zvládnout transport a zásahy v těţkých terénech, jejichparametry neumoţňují vyuţívat potřebné technologie a zásahovou výbavu v krizovýchsituacích, nespojují výhody robotického systému se systémem ovládaným člověkem, nebojsou příliš robustní bez pokročilých technologií, které odpovídají současným výsledkůmvýzkumu a vývoje v oblasti záchranné a záchranářské techniky a technologiíŠvédská firma BAE Systems Hägglunds (obr. 1.3.2. – 15) vyrábí terénní vozidlopodobné sněţné rolbě. Tato pásová vozidla jsou vyuţívána u hasičských sborů, záchrannýchsluţeb a armád. Hagglund terénní vozidlo (ATV) se skládá ze dvou pásových vozů (slaminátovou, zesílenou karosérií) spojených kloubem. Vozidlo pracuje ve sněhu a v horskýchoblastech. Jeho operační rámec zahrnuje pátrací a záchranné akce, omezeně i práci snebezpečnými materiály a protipoţární vyuţití. Vozidlo je schopno provozu v extrémníchpodmínkách. Přední část vozidla byla navrţena tak, aby mohla nést protipoţární vybavení,včetně dvou sad dýchacích přístrojů a náhradního válce.Systém s jeho typemkonstrukce není schopen zvládnouttěţký terén se zvlášť obtíţnoudostupností a neposkytuje moţnostvíceúčelovosti a operativní změnyparametrů– například vyuţití v tunelovýchstavbách – neposkytuje výhodyrobotickéhosystémua dálkového ovládání.Firma Land Tamer, USA(obr. 1.3.2. – 16, 17) vyrábí proúčely pátracích, záchranných, čiObr. 1.3.2. – 15 Hägglunds terénní vozidlohasičských akcí dálkově řízenáterénní vozidla usnadňující přístupk obětem nehod a úrazů.Obr. 1.3.2. – 16 Vozidlo Land TamerObr. 1.3.2. – 17 Prostor pro zachráněné42

Současné robotické systémyVe Spojených státech vyrábí firma Kimtech, Vermont, výsuvné jednotky pro uţitkováterénní vozidla (obr. 1.3.2. – 18, 19). Tyto jednotky umoţňují přítomnost záchranáře is vybavením v těţko dostupném terénu a asistenci zdravotníka vedle pacienta, při převozu nauţitkovém vozidle, nebo z těţko dostupných míst. Univerzální uplatnění těchto jednotek jeumoţněno jejich celkovým designem, který vyhovuje prakticky všem uţitkovým terénnímvozidlům.Obr. 1.3.2. – 18 KimtechObr. 1.3.2. – 19 Jednotka pro raněnéMEDLITE Transport (MTS-09) je navrţen pro přepravu jednoho pacienta, jednohozáchranářského pracovníka a rozmanitého záchranářského vybavení. Nosítka se lehce nasadína přepravní jednotku, pomocí uchycovacích popruhů, které jsou součástí jednotky. Sedadlopro doprovod pacienta s bezpečnostním pásem s úchytkami na kolečkách po celé délcejednotky můţe být uzamčeno ve třech různých polohách v délce kolejniček (pro jakoukolinaléhavou situaci). Jednotka má úschovný prostor o objemu cca 25 m3 umístěný podprostorem pro pacienta (pro uloţení záchranářských brašen, pomocná materiál nebo kyslík).Jednotka má také zasouvací tyč. Vyrábí se i rozšířená verze MEDLITE Transport Deluxe(MTD-09), která má navíc výsuvnou desku skladovacího prostoru, drţák na zdravotnickélahve a kolejničky pro sedadlo třetí osoby.Speciální výsuvná jednotka pro uţitková vozidla neumoţňuje vazbu na modulmobility s parametry navrhovaného víceúčelového transportéru, neobsahuje moţnost instalacekomplexní sady resuscitačních prvků.Z hodnocení nedostatků vyplývá jaký prostor zbývá pro zlepšování konstrukcí azejména pro vyuţití konstrukčních principů robotických systémů.1.3.4. Mechanické subsystémy, agregáty a prvky robotůŘešení rotačních jednotek je zpravidla z konstrukčního i technologického hlediskavýhodnější oproti lineárním avšak technologie výroby si našla nové výrobní postupy a novédruhy strojů čímţ jiţ mnohá omezení odpadla. Jednak jde o případ jak obecně v konstrukcistrojů, tak i v konstrukcích robotů převládající (viz kinematické koncepce robotů), jednakvýroba rotačních ploch je technologicky jednodušší. Rovněţ skutečnost, ţe v naprostépřevaze jsou dnes u robotů aplikovány rotační klouby. Všechny podstatné mechanické prvky iagregáty a subsystémy byly probrány v PRaM a jsou uvedeny v příslušném studijnímmateriálu.43

Současné robotické systémyShrnutí kapitolyV rámci kapitoly jsme blíţe popsali principy řešení PR paralelních koncepcí a jejichodlišnosti od koncepcí sériových. Dále jsme poukázali na rozvoj a potenciální moţnostiservisních robotů, ale zejména na problémy, které se vyskytují při jejich navrhování.Upozorňuji, ţe zde řešíme problémy při jejich návrhu! Vlastní konstrukce servisních robotů jenáplní samostatného předmětu: Servisní roboty. Proto je opět nezbytné zopakovat si poznatkyz tohoto předmětu!Ukázali jsme dále na příkladech mechatronické systémy, které v mnohém připomínají servisníroboty a lze pro jejich návrh pouţít postupů v tomto předmětu studovaných.Dále jsme doplnili poznatky o vývoji některých specifických prvků, agregátů a subsystémůrobotů.Kontrolní otázky1) Jaké jsou základní shody a odlišnosti mezi sériovými a paralelními koncepcemiprůmyslových robotů?2) Jaké jsou základní shody a odlišnosti mezi průmyslovými a servisními roboty?3) Jaké rozpory a problémy se vyskytují při návrhu jednotlivých druhů robotů?4) Jaké jsou rozdíly mezi roboty a jinými mechatronickými systémy?Úkol k řešeníNajděte na internetu výrobce servisních robotů k určitému účelu (např. pro čištění bazénů,sklizeň zeleniny, apod.). Srovnejte koncepce aspoň 3 vyráběných typů SR různých výrobců aporovnejte funkce, parametry, konstrukční shody a rozdíly i moţné problémy při řešení!Řiďte se příklady v textu kapitoly! Rovněţ dohledejte na internetu mechanické prvky aagregáty vyráběné v současné době pro robototechniku.44

Současné robotické systémyCD-ROMK doplnění poznatků z této kapitoly si prohlédněte videa – soubory: Servisniroboty, Modularni prumyslove roboty a Efektory prumyslovych a servisnichrobotu. Ve všech třech souborech jsou demonstrovány příklady moderních řešení akonstrukcí Servisních robotů, dále uplatnění modulů v konstrukcích průmyslovýchrobotů, ale dnes jiţ také u servisních robotů a také řešení efektorů, která se dnesvyznačují velmi sofistikovanými koncepcemi, přebírajícími řadu doplňkovýchfunkcí původně svěřených vlastnímu manipulátoru robotu [PRaM Skařupa 2007].45

Mechanická ústrojí robotů2. MECHANICKÁ ÚSTROJÍ ROBOTŮPo úspěšném a aktivním absolvování tohoto BLOKUProstudováním druhého přednáškového bloku, členěného do dvou částí,se seznámíte:• s druhy vyvaţovacích systémů průmyslových robotů a jejichaplikacemi• s dalšími převodovými mechanismy průmyslových robotůCílepřednáškovéhoblokuVyvažovací ústrojí, rotační pohybové jednotky, lineární pohybové jednotky,kvalita vyvážení, paralelogramy, pantografy, návrh, pohony, silové poměry.Klíčová slovaČas ke studiu: 9 hodin46

Mechanická ústrojí robotů2.1. VYVAŢOVACÍ ÚSTROJÍ ROBOTŮPo úspěšném a aktivním absolvování této KAPITOLYBudete umět vysvětlit:• principy vyvaţování rotačních pohybových jednotek ainterpretovat příslušné výpočtové kroky• principy vyváţení lineárních pohybových jednotek a rozhodnutíkdy je aplikovatdále diskutovat a interpretovat:• pojem kvality vyváţení a základní kroky odvození i závěryz nich vyplývající.Cíle kapitolyVyvažovací ústrojí, rotační pohybové jednotky, lineární pohybové jednotky,kvalita vyvážení, pružinový systém, konstanta tuhosti pružiny,vyvažovacímomenty, sférická struktura, angulární struktura,Archimedova spirála,absolutní vyvážení manipulátoru robotu, know how pro kvalitu vyváženímanipulátoru robotu, základní kroky analýzy pro kvaltu vyvážení.Klíčová slovaČas ke studiu: 5 hodinVyváţení jednotlivých členů polohovacího ústrojí hraje velmi důleţitou roli pro získánívelmi dobrých parametrů a chování průmyslových robotů. Jde o otázku, která musí být řešenajiţ při zvaţování konstrukčního řešení vlastního ramena – rozloţení hmot a polohy těţištěvůči ose rotace ramena. Vyváţením eliminujeme statické (gravitační) účinky na hmotyramena, motor pro příslušný rotační pohyb pak můţe mít niţší výkon a menší rozměry a tím ihmotnost, coţ opět přispívá k lepší energetické bilanci. Dalším benefitem jsou lepší poměrypro řízení pohybu.VÝKLAD2.1.1. Vyvaţování rotačních pohybových jednotekPro vyváţení těchto jednotek se osvědčil vyvaţovací systém pruţinový s harmonickouzatěţovací charakteristikou. Běţné je uţití pruţin konstantní tuhosti c. Tuto hodnotuzjišťujeme výpočtem. A k ní pak navrhujeme vhodné rozměry pruţiny. Vyvaţovací systém47

Mechanická ústrojí robotůsestává z pruţiny a vhodně zvoleného mechanismu, který dává harmonickou závislostvyvaţovacího účinku. Nejčastěji se uţívá klikového mechanismu, protoţe je konstrukčnějednoduchý a dává přesnou charakteristiku. Schéma pro pochopení funkce vyvaţovacíhosystému a odvození potřebných vztahů je na obr. 2.1.1.-1.Obr, 2.1.1.-1 Schéma k výpočtu poměrů při vyváţeníPro výpočet uţijeme hodnotyc konstanta tuhosti pruţinyλ deformace pruţinya, b kóty připojení pruţinyM vs moment vyvaţovacíPři rotaci ramena pohybové jednotky se zátěţný noment z gravitačního účinku stanoví:M (Gα) = M max .sinαPro vyváţení platí: M G = M vsG. r. sinα = F. h = F. a. sinβkde F = λ. c,z geometrie (viz obr. 2.1.1.-1) vyvaţovacího systému vyplývají vztahyh = a. sinβ = b. sinγλ = a. cosβ + b. cosγ48

Mechanická ústrojí robotůα = γ + βpo dosazení do F = λ .c = ( a. cosβ + b. cosγ ). clze vyjádřit ccacosFbcosaMGcossina sinb cosasinMGa cossinbcosc MGasinasincosasinbcosabsinsincosabsincosc MGabsinsincossincoskde sin ( γ + β ) = ( sinγ. cosβ + sinβ. cosγ )cMGMmaxresp .a b a bFF221a12bccaabbMa bMGGa bmaximální síla v pruţiněPři vyvaţování různých kinematických řetězců robotů (různých koncepcí) je vyváţenírůzně sloţité, viz sloţitější případy typových robotů opakovaně v praxi uţívaných (obr. 2.1.1.-2)49

Mechanická ústrojí robotůObr. 2.1.1.-2 Vyváţení sférické koncepce robotuZde je sférická koncepce robotu, orientovaná vůči gravitačnímu poli podle šipek -v horním řádku je vyváţení realizováno účinky M2 a Q3, ve spodním řádku při orientaci vůčigravitačnímu poli pootočené o 90° je vyváţení sloţitější s hodnotami vyváţení M1,M2 a Q3.Ještě sloţitější je vyváţení robotů angulárních koncepcí (obr. 2.1.1.-3)Obr. 2.1.1.-2 Vyváţení angulární koncepce robotuPři této koncepci platí – v horním řádku vyváţení hodnotami účinků M2 a M3, ve spodnímřádku hodnotami M1, M2 a M32.1.2. Vyvaţování lineárních pohybových jednotek50

Mechanická ústrojí robotůPro těţké manipulátory (vysokých nosností) můţe být výhodné vyvaţovat i některélineární pohybové jednotky. Je pak nutné zajistit vyvaţovací systém s konstantnícharakteristikou. Opět se jako hlavní prvek uţívá pruţina doplněná vhodným mechanismem.Princip vyváţení je zřejmý z obr. 2.1.2.-1.Obr. 2.1.2.-1 Vyváţení lineárníjednotkyK vyváţení se vyuţívá lankový systém. Jednolanko je připevněno na kladku po které se odvíjí, naopačném konci lanka je připevněna pruţina. Kladka jena společné hřídeli s vačkou tvořenou Archimedovouspirálou. Na té je zafixováno další lanko spojenés vyvaţovanou lineární jednotkou zde reprezentovanouzávaţím G.Při navíjení nebo odvíjení lanka se měnídeformace (aktuální délka) pruţiny a tudíţ i odpovídajícísíla v pruţině. Síla přitom působí na konstantnímpoloměru R kladky. Na pravé straně od osy rotace pakpůsobí konstantní tíha polohovací jednotky (G) alerameno k ose rotace (h) se naopak mění v závislosti napoloměru křivosti Archimedovy spirály. Pro rovnováhu(vyváţení) je nezbytné, aby změna F (síly v pruţině) avzdálenosti h byly stejné, případně s co nejmenšíodchylkou.Vhodnost mechanismu k vyváţení tedy doloţíme právě posouzením velikosti této odchylky.Při vertikálním pohybu vyvaţované jednotky (G) platíG. h F.RKde G a R jsou konstanty a h a F jsou proměnné.Prozkoumejme změny h v závislosti na poloměru křivosti Archimedovy spirály ρ.Pro poloměr křivosti Archimedovy spirály platí vztaha . kde a je konstanta spirály a φ úhel odvinutí spirály z počátkuNa vačce s Archimedovou spirálou lze najít takovou její část pro rozsah φ, pro niţ platí h~ρ.To je moţné dokázat následujícím postupem:Podle obr. 2.1.2.-1 se lanko odvíjí v bodu M, pro který platí, ţe51

Mechanická ústrojí robotůOMON hzdále1 a.2 h .sin3Dosazením do posledního vztahu zjistíme, ţe počáteční úhel pouţité křivky na Archimedověspirále by měl být φ 0 ≥ 2π.Dále upřesníme postup při návrhu pruţiny – výpočtem konstanty její tuhosti c.Základní výše uvedený vztah bude tedy platit pro zvolenou část Archimedovy spirályG.h = F.R, kdyţ h = ρ´d a.d tg tga.tgjeúhel meziOMN plyne htgd a.dd1pak dosazením do 2a tečnou v M.sina z poslední rovnice vyplyneddadtgh sin a. sin arctgaarctgrozdíl mezi h a je pak dán sin ,resp. sin arctgpotřebujeme, aby se tato hodnota rovnala 1nebo se od ní jen málo odchýlilaDo vztahu je nutné dosadit F, které obsahuje i konstantu tuhosti cF = F 1 + ∆F, kde F 1 je počáteční předepnutí pruţiny∆F = ∆l.c = R(φ - φ 0 ).c ∆l se rovná odvinutí lanka z kladky o poloměru R, v rozsahu úhlu(φ - φ 0 ),Nyní lze psát G.ρ = { F 1 + R(φ - φ 0 ).c}R pro určitou délku odvinutí lanka a tím nataţenípruţinyPůvodně bylo G.ρ 0 = F 1 R52

Mechanická ústrojí robotůOdečtením obou rovnic získámeG.(ρ - ρ 0 ) = cR 2 (φ - φ 0 )Dále dosazením za ρ = a.φ, ρ 0 = a. φ 0dostanemeG.a = c. R 2a konečně vyjádření ccGa .2RPro předepsaný zdvih H polohovací jednotky se zátěţí G je nutné stanovit délku odpovídajícíčásti Archimedovy spirály vačky S v rozsahu počátečního a koncového úhlu ρ 0 , ρ kplatí S = HSa1 1 ln( 1)2 2 2k k 0 0k k2( 1)20 053

Mechanická ústrojí robotů2.1.3. Kvalita vyváţeníPosouzení kvality vyváţení tak jak ho zde zavádíme má dvojí význam. Jednakposlouţí jako nově zacedené kritérium pro hodnocení výsledku práce konstruktéra a dáleukazuje jeden z postupů vytváření vlastního know how analýzou souvislostí mezijednotlivými parametry konstrukce.Zaveďme nejdříve pojem a poměry při absolutním vyváţení rotujícího členumanipulátoru podle obr. 2.1.3., kde toto vyváţení zajistíme protizávaţím o hmotnosti m * .Zde jeM A – velikost momentu nevyváţení vlastních hmotkonstrukceM VS – velikost momentu vyvozeného vyvaţovacímsystémem (VS)Absolutního vyváţení tedy dosáhneme bude-liM VS = M AM VS = - m*.g .r.cosφ = - M O .cosφObr. 2.1.3.-1Vyváţení protizávaţímM O - označujeme jako parametr nevyváţení členumanipulátoru (konstanta)Kvalitu vyvaţovacího systému pak zaveďme vztahem:M MM1A VSOPři zavedení protizávaţí, kdy platí M VS = M A10M O1vysoká (absolutní) kvalita vyváţeníPokusme se nyní tento vztah blíţe analyzovat při zváţení geometrických poměrů vevyvaţovacím systému (obr. 2.1.3.-2).Z kosínové věty uplatněné na trojúhelník ADC v obrázku2 2 2 2L a b a b a b a b2. . .cos( ) 2. . .sin2A dále z plochy kosoúhelníku nad tímto trojúhelníkemS a. v a. b.cos L.vABCD1 254

Mechanická ústrojí robotůLze vypočítatv2ab . .cosLA vyvaţovací moment pak zjistíme jako součin síly v pruţině F p a ramene k ose rotacev 2. . . . . ab . .cosMVS Fp v2 L c v2L cLObr. 2.1.3.-2 Připojení vyvaţovací pruţiny (L) mezi otočný členmanipulátoru (b) a rám (a)jestliže LL L0L L0 L0MVSa. b. c.cos a. b. c.cos 1L2 2a b 2. a. b.sinPoţadujeme-li absolutní vyváţení, musí θ = 1 M A + M VS = 0protoţeM A = M O *cosφbude55

Mechanická ústrojí robotůMOLo.cos a. b. c.cos 1 02 2a b 2. a. b.sinMOa. b. c.Loa. b. c02 2a b 2. a. b.sinMOa..b ca. b. c.Lo2a2b a b2. . .sin2 2 a. b. c.Loa b 2. a. b.sinM a..b cO2 2 a. b. c.Loa b 2. a. b.sinM a..b cO2sin1 2 2 a. b. c.Loa b2. a. b M a. b.cO201 a. b. c.La b M a b c2 2oarcsin a b 2. .O . .2Pro tento úhel φ platí, ţe θ = 1. Ve všech ostatních případech úhlů z intervalu mezipočátečním úhlem φp a konečným úhlem φk naopak neplatí, ţe θ = 1, protoţe MA + MVS ≠0.Kvalita vyvaţovacího systému je dána nejnepříznivnějším případem,charakterizovaným maximální hodnotou funkce ΦMAMMOVSZ tohoto důvodu je nutné výraz podrobně analyzovat.MAMMOVSMO*cosa * b * c *MO1L0L*cos1a * b * cMOa * b * c L0*M LO*cos56

Mechanická ústrojí robotů1a * b * cMOa * b * c*MOa2b2L02* a * b *sin*cosTento výraz je nepřehledný kvůli zlomku s odmocninou ve jmenovateli, proto hozjednodušíme rozvojem v řadu podle Taylora kdyţ platí,ţe11 23x11*2x3*8x15* x48...pro -1 < x ≤ 1a2b212 * a * b * sinb *1ba2212 *ab* sin1*b112*ab2ab* sin... zanedbámeProtoţe z realizovaných konstrukcí víme, ţea/b < 1a 2 /b 2

Mechanická ústrojí robotůA2.5* K1* K2*0 K3A *cos A *sin 2*1 2A2AA12A2*cossin2*A cos sin 2*kdeA 2aAAA12* A2min 2min* A Hledáme = 0, pro které je 0!0Pak platí, ţe 0 .A *cossin2*A*cos*12sinA0cos 0022A1 sin 00arcsinA 2Funkce arcsin(x) je definována pro x 1, 1 A 2Oblast hledaných hodnot A leţí v rozsahu 2,2 a rozsah úhlu ,2 2přicházející prakticky v úvahu pro polohovací ústrojí, vţdy zahrnuje 0, při kterém 0 .0,Grafy průběhů funkcí φ 0 (A), φ 1 (A), φ 2 (A) pro,2 2a A 2 jsou v obr. 2.1.3.-3.Nyní zjistíme extrémy funkce(1. derivaci poloţíme rovnu nule):A cossin2*Asin2*cos 2*Asin2*cos22*sin2Asin22*sin22*sin224*sinA sin20sin1,2A2A8321 1 maxkde2 2 minkde12arcsinarcsinAA2A82A8323258

Mechanická ústrojí robotůObr. 2.1.3.-3 Průběhy funkcí φ 0,1,2Obr. 2.1.3.-4 Extrémy funkcionálu Φ v oblasti A 259

Mechanická ústrojí robotů,2V oblasti, kde určujeme 0 (tj. při A 2 )nabývá 1 hodnot , a 2 hodnot2 62. Dosazením 1 a 2 do A*cos* 1 sin získáme křivky16Aa 2spojující body s extrémními hodnotami (Obrázek 4).V grafu vyšrafovaná plocha obsahuje všechny hodnoty pro A 2 . Platí, ţe Apři = 0. Pro kaţdou hodnotu A existuje hodnota úhlu = , při které je rovno*nejmenšímu z extrémů, ale s opačným znaménkem. *1 ,2.*1 ,2tedy vymezují oblasti , Av nichţ se uplatní pouze menší z extrémů mezi,2 2. Pro reálné konstrukcenepřevyšuje rozsah změn úhlu sklonu ramene pantografuk phodnotu a funkce 2v takovém intervalu má dva extrémy pouze při A = 0. Při jiných hodnotách A, v intervalu ovelikosti 2, se dva extrémy nevyskytnou.nezbytnou podmínkou optimálnostiparametru A v intervalufunkcíAp,kje výskyt 0 v tomto intervalu a rovnost mezních hodnotv případě, ţe extrém se v intervalu nevyskytuje, nebo rovnost extrémní hodnoty vtomto intervalu a hraniční hodnoty. Pak pro libovolný intervalp,kexistuje jedináhodnota A opt , daná poměrem mezi koeficienty K 1 , K 2 , K 3 (v těch jsou zahrnuty parametrySMV: a, b, c, L 0 ), při kterém je kvalita vyváţení maximální.V první etapě syntézy SMV se z grafů stanoví podle rozsahu2.1.3- 3 aţ 5 hodnoty A opt a φ 0 a dále pak Φ max a φ 1 nebo φ 2 .p,kz grafů na obr.MA VS1 ,MMOMAMMOVS1 ,max max* A2,,maxpřičemţmaxje jednoznačně určeno intervalemp,kabychom dosáhli co nejvyššíkvality SMV, snaţíme se minimalizovat hodnotu A 2 .A20.5* K * K12* K31*2aM2OL0* c*bkde a, b, c, L 0 jsou proměnné parametry a M O je konstanta.A2K23* b * L02* M O* ca K * bb je zpravidla 0,8 aţ 0,9 délky členu nesoucího pruţinu a závisí na konstrukci úchytuzbývá minimalizovat parametry a, c, L 0 . Jak bylo ukázáno výše, při φ = φ 0 (ideální vyváţení)je L0L0a M VS + M A = 0.360

Mechanická ústrojí robotůObr. 2.1.3.-5 Grafy průběhu Φ (φ, A) pro A 2a * b * cK1 , M VS = - M O * cosφ,M OM OL La*b*c*L00L L0M VSa * b * c *cosLL0K1> 1L LA11 K1K1* K2K11A20 .5* K1* K2* K3K2A AK1* 1 0.5* A*K3Vyvaţovací moment lze vyjádřit jako součin síly pruţiny F p a vzdálenosti v 2 : M VS = F p * v 2 .Při přesném vyváţení je potřebná síla F φ0 :00M VS = - M O * cosφ = F p * v 2 ,F0MO*(10.5* A*Kb*K33)Protoţe v praxi je u konstrukcí koeficient K 3 zpravidla 0,04 – 0,2, lze při hodnocení(odhadu) hodnoty potřebné síly předpokládat, ţe je nepřímo úměrná K 3 . (K 3 = a/b) Čím větší61

Mechanická ústrojí robotůa, tím menší sílu potřebujeme, coţ je celkem vidno z obr. 2.1.3.-1 a je to dobře, ale na druhoustranu se s růstem a zhoršuje ukazatel kvality θ a naopak.Analýza souvislostí technologických a konstrukčníchPouţití výkonných pruţin je spojeno s konstrukčními a technologickými problémy,sloţitostí výroby i ustavení, potřebou navrhnout loţiskové uzly a úchyty velkých rozměrů avznikem velkých reakcí v kloubech, velké ztráty třením a v důsledku toho zvětšení sílyk přemístění břemene a tím i motoru. Kvalita potřebná síla jsou protikladné vzhledemk parametru a. Tato dvě kritéria si konkurují podél tzv. kompromisní křivky. Grafickouinterpretací tohoto případu můţe být soubor křivek (obr. 2.1.3.-6) relativní potřebné síly F *jako funkce K 3 pro zvolené φ 0 .Fb * F* 0 1 0.5* A*MOTento soubor umoţňuje posoudit všechny ověřované optimální návrhy konstrukčníhořešení podle dvou kritérií efektivnosti.Další závislosti pro analýzu optimálního návrhu vyplývají z grafického průběhu síly Fv pruţině, při její určité délce (obr. 2.1.3.-7). Při délce L = L φ0 , coţ odpovídá φ = φ 0 , je síla F= F φ0 . SMV s optimálním poměrem parametrů vyvolává v tomto bodě moment M VS = M A asílu F φ0 = c(L = L φ0 ).Porovnejme dále pracovní diagram reálné pruţiny a s diagramem hypotetické pruţiny nulovépočáteční délky (L0 = 0) a s tuhostí c*. Při aktuální délce Lφp, odpovídající φ = φp, bude sílaF( M A ) maxmenší, neţ síla Fmax, vyvinutá pruţinou reálného vyvaţovacího systému.Při vybraných hodnotách K3 a F* podle kompromisních křivek (obr. 2.1.3.-6) je minimum A2závislé na součinu c*L0. (c = tuhost pruţiny, F* je známá a největší přípustná deformační sílapruţiny)I kritérium dané obrysovými rozměry a sloţitostí konstrukce SMV (velikost pruţin, početpruţin, …) je v protikladu ke kritériu kvality.Nemoţnost získání optimální konstrukce SMV současně podle tří kritérií, vede k volběkompromisního řešení, vyhovujícímu tomu z poţadavků, který je určující v konkrétnímpřípadu.Podle zadaného intervalup,kúhlů sklonu ramene polohovacího zařízení se určujekoeficient A 2 (koeficient optimálního poměru parametrů) a podle grafů na obr. obr. 2.1.3.-3 aţ6 hodnoty φ 0 , φ 1 , φ 2 , . maxDále se syntéza provádí nejčastěji podle maximální síly, kvality a omezení kladenýchna pruţiny a jejich závěs – tj, počet pruţin, jejich maximální průměr nebo poţadavek napouţití standardních pruţin.Návrh vyvaţovacího pruţinového systému, na základě uvedené analýzy a získanéhopřehledu o všech existujících souvislostech, získaných z teoretických úvah i praktickýchzkušeností, s technologií i konstrukcí vyvaţovacích systémů, vede k tomu, ţe hnedv prvních úvahách o řešení těchto systémů víme jak dosáhnout optimálního výsledku.Rovněţ víme jaká jsou omezení pro takový návrh.K3K362

Mechanická ústrojí robotůObr. 2.1.3.-6 Závislost potřebné síly v pruţinách na K 3 a φ 063

Mechanická ústrojí robotůObr. 2.1.3.-7 Optimalizace síly v pruţiněShrnutí kapitolyV této kapitole jste se seznámili s následujícími pojmy:vyvaţovací systémy průmyslových (a servisních) robotů, principy jejich výpočtu, jejichzástavbou do kinematického řetězce robotů a pojmem kvalita vyváţení manipulátoru robotu.Analýzou geometrických a silových poměrů při různých konfiguracích kinematického řetězcebyly získány závěry pro návrh či volbu základních parametrů pro návrh vyváţení.Kontrolní otázka1) Které jsou výchozí parametry při návrhu vyváţení rotační pohybové jednotky?2) Který je výstupní parametr pro konstrukční návrh pruţinového vyvaţovacíhosystému?3) Jak je definováno λ při vyváţení rotační pohybové jednotky PVS (pruţinovýmvyvaţovacím systémem?4) Kterých základních vlastností Archimedovy spirály vyuţijete pro vyváţenímanipulátoru robotu?5) Jak je definována kvalita vyváţení?6) Kdy dosáhnete absolutního vyváţení?Úkol k řešení64

Mechanická ústrojí robotůVypočtěte vyvaţovací účinky pro sfěrický a angulární kinematický řetězec manipulátorurobotu ve všech realizovatelných polohách vůči gravitačnímu poli (potřebné parametrymanipulátoru si zvolte pro konkrétní katalogový typ robotu).65

Mechanická ústrojí robotů2.2. PŘEVODOVÁ ÚSTROJÍ – KLOUBOVÉ MÉCHANISMYPo úspěšném a aktivním absolvování této KAPITOLYBudete umět interpretovat• principy sestavení pantografu a odvození základních rozměrůjeho jednotlivých členů• sestavení rovnic pro silový výpočeta uskutečnit• návrh pantografuCíle kapitolyPantograf, paralelogram, horizontální a vertikální pohyb, konfiguracepantografu, geometrické poměry, pracovní přímka, pracovní body, silováanalýza, stanovení reakcí v kloubech, návrh pantografu, převodový poměr,konstrukční parametr, poháněcí síly a momenty pro základní aplikovanékoncepce kinematických řetězců.Klíčová slovaČas ke studiu: 4 hodinyV rámci bakalářského studia bylo pojednáno o základních druzích převodůvyuţívaných u průmyslových a případně servisních robotů. Zde se seznámíte s dalšímvýznamným mechanismem, který se často v různých variantách vyuţívá – pantografem, kterýje odvozen od čtyřkloubového mechanismu – paralelogramu.VÝKLAD2.2.1. Paralelogramy, pantografyK doplnění poznatků o převodech zvláštního významu z hlediska uţití v konstrukcíchrobotů pojednává tato kapitola o vybraných čtyřkloubových mechanizmech –paralelogramech a pantografech s tím, ţe kapitola vyţaduje prostudování příslušných kapitolz mechaniky.Kloubové mechanizmy – 4členné (4kloubové) – klikové, klikovahadlové, dvojklikové,dvojvahadlové, kulisové, paralelogramové, aj. se mohou vyskytnout v různých konstrukcíchrobotů, manipulátorů i efektorů. Mimořádnou důleţitost s častým výskytem lze zaznamenatv případě pantografů, jako jednoho z typických převodů polohovacího ústrojí.Paralelogram (obr. 2.2.1. – 1)66

Mechanická ústrojí robotůObr. 2.2.1. – 1 ParalelogramPro paralelogram jako čtyřkloubový mechanizmus platí o délkách stranl 2 = l 4 l 1 = l 3Obr. 2.2.1. – 2 PantografPantograf vytvoříme z paralelogramu tak, ţe prodlouţíme některé jeho členys vyuţitím pracovní přímky, coţ je přímka procházející zvolenými body na těchtoprodlouţených členech. Body, které takto vzniknou se označují pracovní body. Pracovnímbodem je kaţdý bod leţící na průsečíku pracovní přímky s jakýmkoliv členem pantografu. Naobr. 2.2.1. – 2 prochází pracovní přímka body AGFH.Důleţitá vlastnost pracovních bodů (PB):Jestliţe spojíme jeden z pracovních bodů kloubově s rámem, pak při přemisťovánílibovolného jiného PB opíší ostatní PB podobnou trajektorii, s koeficienty podobnosti,rovnajícími se převodu mechanismu pantografu.Příklady pantografů s různým počtem pracovních bodů jsou na obr. 2.2.1. – 3.Pantografy mohou mít 3 nebo 4 PB. Dále vyšetříme některé podstatné vlastnosti pantografůpro jejich uplatnění u pohybových jednotek manipulátorů robotů.67

Mechanická ústrojí robotůObr. 2.2.1. – 3 Příklady pantografůZajímá nás zda je moţné pantografem snadno realizovat přesný pohyb po horizontálenebo vertikále, coţ je častý poţadavek kladený na pohyb efektoru robotu, například přimontáţních operacích. Samozřejmě je tento pohyb realizovatelný i řízeným pohonem kloubů,v jiných koncepcích manipulátorů robotů, ale jen za vyšší výpočetní náročnosti pro řídícísystém a mnohdy i vyšší nepřesnosti, která musí být opravena s vyuţitím zpětné vazby.Obr. 2.2.1. – 4 Pohyb bodu E po horizontále (vlevo), po vertikále (vpravo).68

Mechanická ústrojí robotůVyšetřeme nejdříve situaci pro obrázek vlevo (horizontální pohyb), kde zřejmě platí:pro vzdálenost H na vertikále mezi PB - AEH= AB cos BC sin CF cos EF sinz podobnostiABC, CFE, ADE pak vyplyneCF AB CF FE kFE BC AB BCCF = k ABFE = kBCH = AB cos BC sin CF cos FE sin= 1+ k AB cos - BC sinH = 1+ k SPracovní bod E se musí pohybovat po horizontále (H = konstantě), protože S = konst.Podobně při pohybu A po vertikále platíb FE cos - FC sin= = ka BC cos - AB sinb = k akde a = konst.Dále nás bude zajímat situace na pantografu při vyvaţování uţitečné zátěţerealizované v místě připojení efektoru.Obr. 2.2.1. – 5 Moţnosti vyváţení zátěţe G OM silou F 1 nebo F 2Jednoduchý výpočet dokládá výhodnost řešení podle obr. 2.2.1. – 5 vlevo.69

Mechanická ústrojí robotů1F G aa bOMbvyvážení objektu podle obrázku vlevo, v jakékoliv polozeF 2 GOMvyvážení pro zobrazenívpravoFF2 1aVýhodné konstrukční řešení pantografu z hlediska snadného zajištění přímočarýchpohybů vertikálních i horizontálních a tím i snadného řízení v těchto případech je uvedeno naobr. 2.2.1. – 6.Obr. 2.2.1. – 6 Konstrukční řešení kloubu prohorizontální i vertikální pohyb efektoruSituace při vyváţení nejen objektu manipulace (s efektorem), ale i členů mechanismuje obecně podstatně sloţitější neţ při výše uvedeném vyvaţování pouze uţitečné zátěţemanipulátoru robotu:Snaţíme se dokázat zda mechanismus můţe být vyváţen konstantní vertikální silou R.V bodu A působí tíha objektu manipulace G1. Pro zjednodušení předpokládáme, ţe tíhovéObr. 2.2.1. – 7 Vyváţení pantografu včetně tíhových účinků členů70

Mechanická ústrojí robotůúčinky členů pantografu působí v polovině jejich délky (členy konstantního průřezu), obr.2.2.1. – 7.Podmínky rovnováhy (momentů k F):G1 AB BF G2 T 2B BF G3 T 3D DE EFcos sin cos sin sin cos sinG4 T 4E EF G5T 5F R DE EFcos sin sin cos sinVe vztahu jsou zanedbány třecí účinky v kloubech. Těţiště hmot členů jsou zavedenyuprostřed členů konstantního průřezu (Tx).Po úpravě rovnice získámeG1ABG2T2BG3DE1G4DE2cosG1BFG2BFG312CDEFG4EFG5T5FsinRDE cosREF sinRovnost bude platit, jestliţe koeficienty při cosβ a sinα na obou stranách rovnicebudou stejné.Pak reakce R pro vyváţení mechanismuRG1ABGDE2T2BG21 G24Z této rovnice vyplývá, ţe R je konstantní a nezávislé na poloze členů pantografu.Obě získané rovnice umoţňují nalézt poměr mezi délkami členůDE a EF, při nichţlze dosáhnout vyváţení mechanismu.Například při známé délce EF získáme porovnáním obou rovnic pro R a úpravouDEG1BFG1AB G2T2BEFG2BF0,5 G3CDG5T5F0,5 G4EFJestliţe jsou známy délky členůCD , DE,BF, pak můţe být ze stejných rovnicnalezena vzdálenost mezi klouby A a B, při které je zajištěno vyváţení mechanismu:BF DE G2BF DE 1 G2CD DE G5T 5F DE 1 G41 G2AB DE T 2BEF G1EF 2 G1EF G1EF 2 G12 G1Upravme tuto rovnici pro další úvahy o moţnostech vyváţení mechanismu:Z podobnosti trojúhelníků DEF a HBF platí71

Mechanická ústrojí robotůBH BFDE EFvyjádřeníAB BHGG21BHBHGGBF DEEF21T2B, coţ spolu se vztahem pro AB umoţní jeho vhodnější1 G32 G1CD DEEFGG51BH TBF5D1 G42 G1BH EFBFZe struktury vztahu pro AB , v porovnání s obrázkem (jde o porovnání velikostiAB a BH), vyplývá, ţe je-li těţiště T 2 mezi B a H nebo mezi H a A vţdy platí, ţeAB BHa mechanismus lze přesně vyváţit konstantní velikostí R. Avšak bod A nenípracovním bodem a jeho dráha není ekvidistantní vůči pracovním bodům.Jestliţe však ztotoţníme H a A budeAB BHa podle výše uvedené rovnice nelzetakový mechanismus vyváţit konstantní vertikální silou.Vyváţení polohovacího systému s pantografem je proto jedním z problémů, které musíbýt při jeho návrhu řešeny. V případě aplikace pantografu u balancerů (jako jednoduchýchmanipulačních zařízení ovládaných operátorem a pracujících malými rychlostmi) umoţňujevyváţení závaţím v rámci celého pracovního prostoru.U zařízení s velkou nosností a velkým pracovním prostorem, případně při pohybechvelkou rychlostí (zrychlením) by moment setrvačnosti závaţí ztěţoval činnost operátora, čipři aplikaci na polohovacím ústrojí robotu by pak zbytečně vyţadoval vyšší momentovéúčinky motoru pohonu.2.2.2. Kinematické struktury a geometrické poměry polohovacích ústrojís pantografyPřes principiální jednoduchost pantografu mohou být jeho aplikace v polohovacíchústrojích robotů velmi rozmanité a variabilní z různých hledisek a moţností, zejménaz hlediska technologičnosti konstrukce. Následující příklad analýzy řešení a odvozenídůsledků má demonstrovat směr úvah při návrhu konstrukce pantografu.Variabilitu ukaţme na jednom, často vyuţívaném schématu konstrukčního uspořádánípantografu (obr. 2.2.2.-1):V jednotlivých případech a – f lze pro pohon vyuţít motorů rotačních nebo lineárních,čímţ se variabilita řešení dále rozšiřuje.V dalších úvahách pro odvození rozměrů pantografu budeme pracovat se schématempodle varianty a.Konfigurace pantografu (obr. 2.2.2. – 2) je dána úhly φ a ψ polohou členů spojenýchs rámem 5 (S), 6 (T). Zvláštní roli při konstrukci mají poměry v obrazci znázorněném v obr.2.2.2. – 3, viz hodnotu λ a délku členu BE, který se volí v jednotkové délce.Člen 1 se označuje jako počáteční, člen 2 jako uzavírací a členy 3, 4 jako vloţené.72

Mechanická ústrojí robotůObr. 2.2.2. – 1 Zobrazení moţných variant řešení vybraného schématu pantografuStanovení rozměrů jednotlivých členů pantografuDélky členů pantografu 1 – 4 lze odvodit z podobnosti trojúhelníků konstruovanýchnad pracovní přímkou procházející pracovními body A, B. Jedná se o trojúhelníky ACD, AEBa BFC.Převodový poměr pantografu je definován jakoAC l 2 l1ipAB l 4 l1l3Konstrukční parametr λ se zavádí jako další důleţitá charakteristika jeho konstrukce73

Mechanická ústrojí robotůADDCll12l1l4l3l2l3l4Obr. 2.2.2. – 2 Popis pantografuObr. 2.2.2. – 3 Vektorový obrazecDélky jednotlivých členů jsou pakl1l1l3ip l4ipl 2 l 4ipl l3l 4llAE1 l 3 l1l 4 l 2 l 4 l 2 l 434l2l4Do výpočtu vstupují jako volitelné hodnoty -, l 4,ipJestliţe z praktických důvodů pro předběţný návrh zvolímepro výpočet délek členů zjednoduší nal1ipll23ipip1Po volbě skutečné velikostihodnotou (obr. 2.2.2. – 4).l 4l 41, pak se nám vztahypronásobíme délky ostatních členů v měřítku touto2.2.3. Silové poměry v pantografu – reakcePolohovací ústrojí manipulátoru robotu, vyuţívající pantograf, lze vyšetřovat jakosystém hmotných bodů s ideálními vazbami za předpokladu, ţe:Všechny členy jsou absolutně tuhéTíhové účinky jsou zavedeny v těţištích členůVšechny klouby jsou ideální ( v dalším lze třecí síly zavést do rovnic jako neznáméaktivní síly).74

Mechanická ústrojí robotůV rámci předběţného návrhu zahrneme dynamické účinky opravnými koeficienty,postupně upřesňovanými.Obr. 2.2.2. – 4 Délky jednotlivých členů pantografuVýpočet reakcí v kloubech pantografuNeznámé sloţky reakcí je vhodnější rozkládat do os souřadného systému neţ do osčlenů pantografu (obr. 2.2.3. – 1). Jako Rnk budeme označovat reakci působící ze členu k nan.Reakce v kloubech A, BZ podmínek rovnováhy celého paralelogramu platí:F 0 R R NxAx Bx0M 0 R R G i 1)BAAyOM( pM 0 RBRByGOMipAPozn. Velikost reakcí v kloubu A a B je pro všechny polohy paralelogramu stejná.Reakce v kloubu FZ podmínky rovnováhy pro člen 2 platí:MD0….. R23 l4sin( ) GOMl2cos 075

Mechanická ústrojí robotůR23GOMll sin(- R23 xR 23cos- R23 yR 23sin42cos)Obr. 2.2.3. – 1 Zavedení reakcí do kloubů pantografuReakce v kloubu DZ podmínek rovnováhy pro člen 2 platí:F 0….. R 0xR23x21xR21xR23xF 0 ….. R G 0yR23y21yOMR21yGOMR23y-RRR2 221 21x21yReakce v kloubu E76

Mechanická ústrojí robotůZ podmínky rovnováhy pro člen 1 platí:MD0….. R Al1 cos R14l3sin( ) 0R14RAl1cosl sin(- R14 xR 14cos- R14 yR 14sin3)Reálné hodnoty reakcí by měly být modifikovány započtením dynamických účinků,tíhy členů pantografu a silových účinků z vyvaţovacího zařízení (coţ je moţné aţ po návrhurozměrů členů pantografu a vyvaţovacího ústrojí, a to v rámci kontrolního výpočtu).2.2.4. Návrh pantografuPři návrhu pantografu je třeba stanovit délkové rozměry jeho členů podle zadanýchrozměrů pracovního prostoru, a to při omezeních vzhledem ke koliznímu prostoru (např.omezení výškou podhledu). Ţádaná je také minimalizace délek členů a spotřeba materiálu(minimalizace průřezu členů).Při geometrické syntéze je nutné uvaţovat trvalé reakce v podporách a kloubech, kterézávisí na φ, ψ a délkách členů, rozměrem pracovního prostoru a souřadnicemi Xo, Yo bodupracovního prostoru, který je nejblíţe k počátku souřadného systému.Obr.2.2.4.–1 Návrh rozměrů pantografu podle poţadovaného pracovního prostoru77

Mechanická ústrojí robotůPro syntézu jsou důleţité parametry:a, hY 0yDmaxi p = l 2 / l 4S, Tl j přil 1 = l 4 λ i pl 2 = l 4 i pl 3 = (i p – 1) λ l 4λ = l 1 / l 2φ, ψGz– vypočtená hodnota uţit. zařízení z OMRji max= maximální přípustná hodnota reakcí v kloubechPro univerzální manipulátory jsou dány: a, l, Gz, Rji maxKromě toho mohou být uplatněny doplňkové poţadavky a omezení na polohu pracovníhoprostoru a jeho rozměry Xo, Yo, H, yo– výška spodní hranice pracovního prostoru.2.2.5. Pohony – druhy, silové a momentové účinkyPolohovací ústrojí (pantograf) lze vyšetřovat jako systém hmotných bodů s ideálnímivazbami za předpokladu, ţe:- členy jsou absolutně tuhé- tíhové účinky jsou zavedeny v těţištích kj- všechny klouby jsou ideální (v dalším lze třecí síly do rovnice zanést jako neznáméaktivní síly).Vzhledem k tomu, ţe dynamické účinky některých manipulátorů (viz např. balancéry) nejsouvelké, lze výpočtový model vyšetřovat jako statický.V obr. 2.2.5.-1aţ 8 jsou schémata moţného uspořádání pohonů pro polohovací ústrojímanipulátorů na bázi pantografu. Jednotlivé poháněcí účinky – síly či momenty lze zjistitz podmínek rovnováhy pro uţitečnou zátěţ objektem manipulace v efektoru a také tíhovýmiúčinky jednotlivých členů pantografu. Hodnoty ρ i jsou ramena těţišť pro jednotlivé tíhové účinkyčlenů.Pro jednotlivé případy pak platí pro rotační nebo lineární motory v kloubech:1) MAG1 1l4 G2 G7 ipl4 G3 3G5 l4, 1 cosM , G l G G G l G i 1 l cosB1 4 2 2 4 4 5 4 7 p 4kde G 7 je tíha objektu manipulace a efektoru.M , S G G G i 1 l G G cos2)A1 1 2 2 2 p4 3 3 4 43)F , S G G G G G i 1A2 41 2 4 5 7l4 l4p78

Mechanická ústrojí robotůM , T G l G G i 1 l G G l cosA1 1 4 2 7 p4 3 3 5 4G l G G G l G i 1 l sin cot g1 4 2 2 4 4 5 4 7 p 44)F , T G G G G G i 1BB2 41 2 4 5 7l4 l4G GM S G G G i l1 1 2 3,4 4 3 2 2 p14cosp5)GF , S G 1 G i 1 G G i 11 3 3A 1 2 p 5 7 pl4 l4M , T G l G G G l G i 1 l cosB1 4 2 2 4 4 5 4 7 p 4G l G i 1 l G G l G i 1 l sin cot g1 31 4 2 p 4 3 5 4 7 p 46)GF , T G 1 G i 1 G G i 1 cot g1 3 3B 1 2 p 5 7 pl4 l4F S, T G G G i 1 G GA4 21 5 7 p4 2l4 l4G G i 1 G1 41 2 p3l4 l4cossinsin cossinsinF S, T G G i 1 G GB1 2 3 41 2 p3 4l4 l4 l4 l4cossincosZ výše uvedených vztahů je patrné, ţe výrazy v závorkách jsou konstantami, v některýchpřípadech jsou i pohonné účinky konstantní, jindy pak jednodušší aţ velmi sloţitougoniometrickou funkcí. Z hlediska vyváţení a řízení jsou sloţité výrazy nevýhodné!Konstrukčně nejjednodušší jsou realizace schémat, ve kterých pohonné účinky jsou buďkonstantní nebo funkcemi nejvíce jedné proměnné.Pro schéma podle 1) momenty závisí na konfiguraci mechanismu a také na uţitečnémzatíţení G7, ostatní parametry jsou konstantní.Odpovídající konstrukce musí mít 2 systémy momentového vyváţení spojené se členy 1 a4 a kompenzující moment nevyváţení vlastních tíhových účinků pantografu, a také pohonyvyvozující doplňkové momenty úměrné uţitečnému zatíţení.U konstrukce podle 2) nezávisí F A na konfiguraci mechanismu a odpovídající konstrukce zahrnujejeden vyvaţovací systém s M A . Toto řešení vyhovuje jednomu ze základních poţadavků napolohování. ústrojí – zatíţení pohonu je invariantní vzhledem k souřadnicím bodů pracovníhoprostoru a závisí na tíhových a geometrických charakteristikách polohovacího ústrojí(konstrukcích pro kaţdý model) a hodnotě uţitečného zatíţení, které je zpravidla konstantní79

Mechanická ústrojí robotův průběhu jedné technologické operace. Moment M A nezávisí na uţitečném zatíţení a jen najednom proměnném parametru φ.Pro ostatní modely jsou statická zatíţení hnacích členů funkcí nejméně jednohoproměnného parametru a hodnoty uţitečného zatíţení, coţ komplikuje jejich praktickou realizaci.Sestavu se dvěma pohonnými posuvnými dvojicemi našla uplatnění v několika modulechprůmyslových robotů, coţ je podmíněno dosti jednoduchou konstrukcí pohonů a také tím, ţe díkylineární funkci polohy se podstatně zjednoduší programování pohybu polohovacího ústrojí robotu.Obr. 2.2.5.-1 Obr. 2.2.5.-2Obr. 2.2.5.-3 Obr. 2.2.5.-4Obr. 2.2.5.-5 Obr. 2.2.5.-680

Mechanická ústrojí robotůShrnutí kapitolyV této kapitole jste se seznámili s následujícími pojmy:ParalelogramPantografPracovní přímka, pracovní bodyVýpočet a návrh pantografuKontrolní otázka1) Jak se liší pantograf od paralelogramu?2) Z čeho vychází stanovení délek na pantografu?3) Které jsou základní parametry pro návrh pantografu?4) Jaké jsou moţné konfigurace pohonů pantografu a odpovídající poháněcí síly amomenty?Úkol k řešeníStanovte si k obrázkům pantografu podle 2.2.5.-1 aţ 6 rozměry jednotlivých členů a zátěţv bodu C a vypočtěte jednotlivé síly a momenty na pohonech. (pouţijte ramena konstantníhoprofilu a zanedbejte účinky kloubů)!CD-ROMK doplnění poznatků o uţití průmyslových robotů si prohlédněte videav souborech: Prevodovky a Roboty s kulovymi klouby.Videosoubor Prevodovky představuje nový typ planetové převodovky a taképřevodovky cykloidní s výhodnými parametry pro uplatnění v robototechnice.Jejich konstrukce a výhody i nevýhody jsou uvedeny u jednotlivých konstrukcí.Roboty s kulovými klouby pak ukazují moderní řešení kloubů robotů jako modulůuniverzálně vyuţitelných k různým konstrukcím ramen manipulačních jednotek(které lze dnes navrhovat také v modulární řadě s různými typorozměry)..81

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotů3. PRINCIPY A METODIKA VÝPOČTU AKČNÍHOSUBSYSTÉMU ROBOTŮPo úspěšném a aktivním absolvování tohoto BLOKUBudete schopni analyzovat a aplikovat:• vhodný výpočtový postup• analytický výpočet• výpočet s podporou počítače• funkční výpočetCílepřednáškovéhoblokuDeformační výpočty, analytické výpočty, výpočty s podporou PC, software,akční subsystém, funkční výpočty, robot, akční subsystémKlíčová slovaČas ke studiu: 3 hodiny82

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotů3.1. DRUHY VÝPOČTŮ AKČNÍHO SUBSYSTÉMU ROBOTŮA MOŢNÉ POSTUPYPo úspěšném a aktivním absolvování této KAPITOLYBudete umět aplikovat:• analytický deformační a pevnostní výpočet pro prvky akčníhosubsystému robotu• deformační a pevnostní výpočet s podporou PC a uţitímvybraného software pro prvky akčního subsystému robotu• funkční výpočty akčního subsystému robotuCíle kapitolyDeformační výpočty, analytické výpočty, výpočty s podporou PC, software,akční subsystém, funkční výpočty, robot, akční subsystémKlíčová slovaČas ke studiu: 3 hodinyVÝKLADManipulátor robotu – podle definice (viz PRaM) akční subsystém robotu, sestávajícíz nosného a výkonného subsystému, musí být pro správný návrh doloţen výpočty funkčními,návrhovými a kontrolními. Ty jsou aplikovány v různých fázích návrhu robotu a zpracováníjeho technické dokumentace. Jejich rozsah je značný. Navíc se překrývají výpočty obvyklépro strojní zařízení a svým způsobem standardizované a výpočty z oblasti řízení – to jespecifická záleţitost pro mechatronické systémy a tedy i pro roboty.Je třeba si uvědomit a promyslet kdy které postupy jsou potřebné a kdy jsou a v jakéhloubce a šíři vyuţitelné. V kaţdém případě je nutno znát a uţívat všechny poznatkyz pruţnosti a pevnosti, mechaniky a částí strojů. Mnohé z nich (zejména z Částí strojových)jsou dnes standardizovány zavedením a vyţíváním systémů počítačové podpory. CADsystémy jsou také velkou podporou návrhářům robotů i při statických a dynamickýchvýpočtech i sloţitých kinematických řetězců stávajících typů robotů.Je zřejmé, ţe při návrhu zcela nového manipulátoru robotu nelze uţít postupůstanovení sil a momentů uţívaných při řízení robotů – tehdy jiţ známe podrobně rozloţeníhmot, momenty setrvačnosti, polohy těţišť, uţité motory, převody a jejich parametry, atd. Tosamozřejmě v prvních fázích návrhu známo není a nastupuje tedy vyuţití znalostí azkušeností z předešlých vlastních nebo cizích konstrukcí, formulovaných do určitých souborůdat a závislostí – vytvoření know how.Je zde také nutné poukázat, ţe systémy počítačové podpory, které jsou velmivýznamnými nástroji současných konstruktérů mají i svá omezení a analytické výpočtystudované v pruţnosti a pevnosti, byť neoblíbené, jsou stále významným kontrolnímnástrojem k výsledkům získaným z CADů a také nástrojem pro podporu tvorby know how.83

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotůV této kapitole se dost dobře nemůţeme vracet ke všem tématům z předchozíchdisciplin a k jejich podrobnému uplatnění v konstrukci manipulátorů robotů, ale ukáţeme napříkladech některé souvislosti. Mnohé výpočty byly uvedeny jiţ ve skriptu PRaM a v tomtostudijním materiálu v jiných kapitolách. Je nezbytné na základě těchto úvodních poznámek sek nim je znovu vracet.3.1.1. Deformační výpočtyU manipulátorů robotů, aţ na výjimky, nejsou mezní stavy dány velikostí napětív průřezech jednotlivých prvků konstrukce, ale omezením velikostí deformací. Ty seprojevují v přesnosti dosaţené polohy a orientace objektu manipulace, zejména přidynamických zatíţeních, které jsou u robotů běţné. Také kmitání konstrukce s určitoufrekvencí a maximální výchylkou a tlumením je nutné stanovit, analyzovat a podle potřebyomezitPro výše uvedenou konfrontaci mezi analytickým výpočtem a výpočty s podporouněkterého z CAD systémů uveďme konkrétní příklad.Kontrolní výpočty prvků nosného subsystémuKontrolním výpočtům prvků nosného subsystému robotu předchází předběţný návrhakčního subsystému:topologie (kinematické struktury) akčního subsystémugeometrie akčního subsystémukinematiky akčního subsystémuzátěţných sil a momentů (statických i dynamických)tvary (průřezy) a materiály jednotlivých prvků (ramen) akčního subsystému.Kontrola prvků nosného subsystému zahrnuje výpočty tuhosti a pevnosti. Z důvodudosaţení vysoké přesnosti polohy efektoru je u manipulátorů robotů z hlediska dimenzovánírozhodující tuhost konstrukce. Mezními stavy jsou tedy přípustné deformace jednotlivýchprvků nosného subsystému robotu. Z hlediska pevnosti při pouţití konvenčních materiálůobvykle vychází poměrně velký koeficient bezpečnosti.Příklad kontrolního výpočtu nosných prvků translačních členů polohovacího ústrojícylindrického (R z T x(y) T z ) systémuAnalytické řešeníVýpočet se provádí postupně od uţitečné zátěţe k základu.Deformace jednotlivých prvků se za účelem vyřešení vektoru přemístění koncového bodupolohovacího ústrojí sčítají.Pro názornost a průhlednost výpočtu jsou uvaţovány pouze gravitační účinky.Q – tíha objektu manipulace (OM), efektoru (E) a orientačního ústrojí (OÚ)q i – měrná tíha i-tého článku vyjadřující vlastní tíhu délkové jednotky profilu i-tého článkul i – délka i-tého článkuS i – plocha průřezu i-tého článkuW oiy – kvadratický modul průřezu i-tého článku v ohybu (k ose y)84

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotůJ iy – osový moment setrvačnosti plochy průřezu i-tého článku (k ose y)Článek 3 – T zZpůsob namáhání: TAH od Q a q 3Vyřešit: σ 3 (z), Δl 3 = w 3APrůběh tahového napětí:Q q33( z)zS S3 3Prosté prodlouţení článku 3:wl3A32Q l3 q3 l3E S 2 E S3 3Článek 2 – T x(y)Způsob namáhání: OHYB od Q+q 3·l 3 a q 2Vyřešit: σ 2 (x), w 2B , φ 2BObr. 3.1.1. – 1 Výpočet členůcylindrického ústrojíObr. 3.1.1. – 2 Průběh napětí v článku 3 – T zPrůběh ohybového napětí v krajních vláknech průřezu článku 2:M ( x) M ( x)Q q l qo( Q q3 l3) oq ( 2 ) 3 3 2 22( x)z2max z2maxx xJ2 yJ2 yWo 2 y2 Wo 2 yPrůhyb článku 2 v místě B:W 1 Q q l qw l l2 3 3 3 2 42B2 2( Q q3 l3) E J2 y3 885

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotůObr. 3.1.1. – 3 Průběh napětí v článku 2 – T x(y)Úhel natočení článku 2 v místě B:W1Q q lql l M l2 3 3 2 2 32B2 2 B 2MBE J2 y2 6Vyšetření přemístění koncového bodu A polohovacího ústrojí robotuPřemístění koncového bodu A v jednotlivých osách:uvAA02B3A 3A 2Blw w wVektor (celkového) přemístění koncového bodu ajeho směrové úhly:u v w2 2 2A A A AuA vA wAcos ;cos ;cosx y zA A A86

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotůPro konkrétní předběţně navrţené a vypočítané hodnoty nosného subsystému (analytickéřešení v programu MathCad):Řešení s využitím počítačové podpory s vhodným software (více možností)Řešení analytické srovnáme s řešením v modulu Structure CAD systémuProENGINEER Wildfire 4.0.K tomu účelu byl vytvořen model nosných prvků translačních členů.87

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotůPosunutí viz poslední 4 řádky88

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotůVýsledné posunutí koncového bodu viz poslední 4 řádky89

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotů3.1.2. Analytický deformační výpočet kartézského manipulátoruKontrolní výpočet následuje po dokončení předběţného návrhu akčního subsystému robotu,kdy jsou známy tvary prvků a materiály, z nichţ jsou vyrobeny a vyšetřeny síly a momenty naně působící. Mezními stavy, které musíme respektovat a výpočtem prokázat jejich dodrţeníjsou deformace, které pro určitou skupinu úloh v praxi jsou maximálně přípustné. Kontrolatedy musí prokázat určitou tuhost konstrukce. Kontrola pevnosti zpravidla prokáţe, přisplnění podmínky tuhosti, velkou bezpečnostní rezervu, nicméně průkaz pevnosti jsmepovinni provést a doloţit.V současné době je jiţ běţné provádění všech výpočtů s podporou výpočetní technikya speciálních softwarových systémů. Nicméně je třeba znát i základní analytické postupy,potřebné pro kontrolu výsledků dosaţených na počítači a také pro vyjasnění správnosti zadánípro výpočet.Pro provádění analytických výpočtů je samozřejmě nezbytné oţivit a případně doplnitpoznatky z mechaniky a pruţnosti a pevnosti ze základu studia.Jako příklad uveďme postup kontrolního výpočtu prvků polohovacího ústrojíkartézského systému s příčníkem.l443auxb vyCzwl 2Q= mg2Bl3 l 1 1AObr. 3.1.2. – 1 Výpočtové schéma manipulátoru T y , T x , T z ,Výpočet provádíme ve směru od uţitečné zátěţe, tj. objektu manipulace včetněefektoru a orientačního ústrojí, coţ jsou nejvýznamnější zátěţové účinky. V našem případěbudeme brát v úvahu pouze gravitační účinky. To by mohl být v praxi případ pro robotypracující s velkými nosnostmi a malými hodnotami zrychlení v jednotlivých osách. Proroboty s vysokými dynamickými parametry bychom tyto účinky museli započítat, avšak90

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotůpodstata výpočtu zůstane stejná. Do účinků zahrneme i vlastní tíhu jednotlivých prvkůnosného subsystému. Klouby uvaţujeme jako absolutně tuhé a v praxi bychom si testovánímsvých konstrukcí museli ověřit nakolik jsme tento předpoklad splnili, případně jak bychommuseli nesplnění tohoto poţadavku promítnout do výpočtu. Existuje řada modelů tohotovýpočtu. V současných konstrukcích většinou platí, ţe reálná tuhost kloubů je řádově stejnájako tuhost nosných prvků.Výpočtem zjišťujeme (obr. 3.1.2. – 1 aţ 3.1.2. – 16.) postupně deformacejednotlivých prvků a na závěr zjistíme vektor výsledné deformace. Vertikální člen 1 jenamáhán tahem v ose z (obr. 5.2.3 – 2).člen 1 : tahq1- tíha délkové jednotkyKontrolujeme vertikální člen 1 na tah odkumulované zátěţe Q na konci polohovacíhoústrojí a tíhového účinku konstrukce tohotočlenu při maximálním vysunutíposuvlABlIQESI1qIl2IlIESIDeformace (posuv) mezi místy AB a napětív místě BnapětíIQSIqIzSIIObr. 3.1.2. – 2 Kontrola prvku 1 polohovacího ústrojí (v ose z)Prvek 2 je namáhán ohybem z kumulované zátěţe včetně tíhy členu 1 a samozřejmě ipříslušného započítání tíhových účinků prvku 2 (obr. 3.1.2. – 3). Tento prvek uvaţujeme jakovetknutý (je nutné konstrukčně zajistit a ověřit) v místě C (obr. 3.1.2. – 1 a 3).Průhyb a úhel natočení v místě B, na konci prvku 2, z Mohrova – Maxwellova integrálupro průhyb platísMsMEJF sdspro úhel natočenísMsMEJMsdsM x je moment od vnějšího zatíţeníM F je fiktivní moment od jednotkové síly v místě a směru hledaného průhybuM M je fiktivní jednotkový moment v místě a směru hledaného úhlu natočeníObr. 3.1.2. – 3 Pouţitý aparát pro výpočet91

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotůq 2Al 2M-xB11CM F-DM M-EObr. 3.1.2. – 4 Schémata k výpočtu prvku 2Potřebné vztahy (obr. 5.2.3 – 5) vyjádříme pomocí schémat obr. 5.2.3 – 4 A – E.v místě x …M Q q l xMMxF xM x111 x x1qx22l2 21qx22, B1 1EJ2 201EJ2Q2 22Q q l x xdq ll q l3 83 42 2 2xNa pravém konci nosníku (obr. 3.1.2. A)působí síla Q + q 1 l 1 a po délce členu 2jednotkové zatíţení q 2Na fiktivním nosníku (obr. C) fiktivní síla amomentPrůběhy momentů pro místo x jsou vlevos maximálními hodnotami na levém okrajinosníku (obr. B, D, E)Průhyb v místě B o velikosti w 2,B a úhelnatočení tamtéţE modul pruţnosti v tahuJ 2 moment setrvačnosti vzhledem k ose y92

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotůl2 21qx22, B1 1EJ2 202 x1EJ2Q q l x 1 dQq l11l q l2 62 32 2 2x2qx2M Q q11l xx202 02Napětí v prvku 2, v místě xObr. 3.1.2. – 5 Vztahy pro výpočet momentů, průhybu a úhlu natočení na prvku 2K posouzení příčníku – prvku 3 – podle obr. 3.1.2. – 6 uplatníme model nosníku na oboustranách vetknutého, coţ je nutné opět konstrukčně zajistit vyztuţením vazeb mezi stojany apříčníkem a tím, ţe stojany mají podstatně větší tuhost neţ příčník.. Příčník je zatíţen silou F Ca momentem M C , které lze stanovit z předchozího postupu.baq 3l 3CFcQ q1l 1q2l2M C2qlM2 2cQ q1l 1l2 2F C q3- tíha délkové jednotkyObr. 3.1.2. – 6 Zatíţení a příprava modelu výpočtu příčníku93

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotůa2F C b kroucenq K řešení3pouţijemeM CmetodyVetknutý nosníkje 3x statickyneurčitý, jeohýbán akanonickýchrovnic (metodyminimadeformačníenergie)Vetknutí najedné straněa F C nahradíme 3Xq 3neznámými3X 2statickyy 1neurčitýmiy X1veličinami X 1 ,F CX 2 , X 3 , aq 3zavedeme 3systémyl 2- ekvivalentní(základní)- nulový(pomocný)- jednotkový-(pomocný)MoEkvivalentnísystém řešíproblém statickéneurčitostiX1zavedenímM 3 +1. A nulovýsystémM 1 +neznámých X i .Jednotkovýsystém spočíváv zavedeníX 3velikostineznámých X 1 =dosáhnemezavedenímM 2některé z veličinX 2X i tak, ţevýsledný účinekbude 0 (M 2 =0)..94

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotůObr. 3.1.2. – 7 Schémata k výpočtu příčníkuK aplikaci metody kanonických rovnic potřebujeme vyjádřit průběhy všech zavedenýchohybových momentů podle obr. 3.1.2. – 7.F Q q l q lcc1 1 2 2M Q q l lql21 1 22 22Na příčník působí síla, vyvolávající jehoohyb F C amoment M C , který příčník zkrucujeMMMM0 y11 y12 y13 y1q y21 y0123 11pro0y 1b2q3 y2M F0 y2cy2b2M yMM1 y22 y3 y22012prob y2Obr. 3.1.2. – 8 Ohybové momenty po délce příčníkuabK dalšímu postupu připomeňme podstatu metody kanonických rovnic.Kaţdá z rovnic vyjadřuje podmínku, ţe ve statickyneurčité soustavě jsou zobecněné posuvy, odpovídajícíkaţdé z neznámých zobecněných sil X i rovny 0.a ij -jsou zobecněné posuvy v základní soustavě veaaa112131xxx111aaa122232xxx222aaa132333x3xx33aa10a2030000směru i-té neznámé zobecněné síly X ia také od působících sil X j , coţ pro j = 0 znamená síluF CZobecněné posuvy a ij lze určovat libovolným známýmzpůsobem.a ij od síly F (např. a 10 ) závisí na zadaných silách, nageometrii soustavy a výběru základní soustavy a mohoubýt kladné, záporné i 0.a ij od síly X nezávisí na zadaných silách, závisí nageometrii soustavy a výběru neznámých statickyneurčitých veličin a platí, ţea ij pro i = j (tzv. hlavní součinitel) je vţdy větší neţ 0a ij pro i ≠ j (tzv. postranní součinitel) můţe být kladný,záporný i 0.Při výběru soustavy usilujeme o to, aby co nejvíceprvků bylo 0.95

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotůObr. 3.1.2. – 9 Uplatnění metody kanonických rovnicVýpočty součinitelů a ij proveďme pomocí Mohrova – Maxwellova integráluaijsMi sMEJj sdsba b1 2 2 111 1 1 2 2EJ3 3 EJ0b3a y dy y dyiaaa1223201, j 1a 0a021320M1 1a a y 1 dy y 1 dya2013 31 1 1 2 2EJ3 2 EJ0b3220ba bb2 a b21 y1 y210 1 3 1 2 3 c 2 2EJ3 2 20ba y q dy y q F y b dyqaa b F 2a 3b8EJ6234c3EJ3b2 a b21 y1 y23013 113 c 2 2EJ3 2 20ba q dy q F y b dyqa6EJ2233a b Fc3EJ3ba b1a 1 1 dy 1 1 dy a b l33 1 2 3EJ3 0bab3Obr. 3.1.2. – 10 Výpočet hodnot a ijab2Dosazením součinitelů a ij do kanonických rovnic stanovíme neznámé veličiny X 1 a X 33 2 4 28 a b X1 12 a b X3 3q3a b 4Fca 2a 3bPo dosazení do kanonickýchrovnic a eliminaci X2 3 223 a b X1 6 a b X3 q3a b 3F ca12a 3bStanovíme neznámé veličinyX1 q3 a b Fca32a b2q32 abX3a b Fc2a b12Obr. 3.1.2. – 11 Výpočet neznámých veličin X 1 a X 396

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotůVýsledný průběh ohybových momentů v jednotlivých polích příčníku je pak následující2qy3 1y1 : M y1 X1y1 X322qy3 2y2 : M y2 X1y2 X3Fcy2b2M y 10 x 3M y b X b X1 1 32q3b22q3a bM y2 a b X1 a b X3Fcaa2Průběh ohybových momentů po délcepříčníkuPro vybrané body po délce příčníkuurčeme hodnoty momentůX 3q 3X 1X 2F Cy 2y 1+ +-My ( 1=b)My ( = 2a+b)-My ( 1=0)Obr. 3.1.2. – 12 Stanovení průběhu ohybového momentu po délce příčníkuStanovení průhybu a úhlu natočení příčníku v místě C, s vyuţitím zjištěného průběhuohybového momentu lze provést Mohrovou metodou (statická analogie):M fδ je průhyb dle Mohrovy metody;EJφ je úhel natočeníT kde M f je fiktivní momentf; a T f je fiktivní posouvající síla veEJvyšetřovaném místě C97

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotůq ffy M yq y M y X y X q1 2 1 1 3 3212a a 3b q33 1 c2 12ab221y21q a b y F y a b2 a b 12Fca bq3y2b2 21F a b b acf , c f 1 1 3 312 20a bT q y dy q ab b aq a bM q y b y dy F240 3 ab2 2 3 33abf , c f 1 1 1 c32bobě hodnoty stanovíme z fiktivníhozatíţení po délce příčníku q f , které serovná zjištěnému ohybovémumomentu.Viz obr. 3.1.2.Provedení integrace po dosazení za q fA dosazení do vzorců pro průhyb aúhel natočení zjistímeδ Cφ CObr. 3.1.2. – 13 Stanovení průhybu a úhlu natočení b bodu C příčníkuVýpočet deformací příčníku doplníme výpočtem napětí ve zvoleném místě příčníkuy3 1y3 2Mw33yM yw120y 1b y2Obr. 3.1.2. – 14 Stanovení napětí v krajních vláknech příčníkubabPosledním zdrojem deformace příčníku je moment M C , který jsme vypočítali v obr. 3.1.2. – 6a který vyvolává jeho kroucení.MDDaCM CbHMHMomenty působíkolmo k osenosníku a platí proně momentovápodmínkaMHk ,HDM0CMD0 MH, MD?úloha je jednoustaticky neurčitáProto doplnímedeformačnípodmínku98

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotůk , HD k,HC k,CD0z principusuperpozice platík , HCk , CDMk , HCb MHbG Jp G JpH3 3M M aG JpM b M M aM3CH H CHk , CCMw0MCa MCb; MDa b a bMHbk , HCG JpkMCa ba b G JpkMwCkIIIIIIcoţ dosadíme dodeformačnípodmínkypak úhel zkrouceníprůřezu v místě Ca vyvolanésmykové napětítamtéţabDCHMDM CMHM D-M C+M HPrůběh momentůk, CD = k, HCPrůběh úhluzkrouceníObr. 3.1.2. – 15 Stanovení momentů a úhlů zkrouceníNa závěr kontrolního výpočtu, při němţ jsme zjistili velikosti napětí a můţeme je porovnats hodnotami přípustnými pro zvolený materiál příčníku, musíme zjistit výslednou deformacina konci posledního ramene (bod A), kde připojujeme přes orientační ústrojí efektor.Evidentně musí být tento údaj doplněn o vlivy těchto částí manipulátoru.99

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotůvAyAxAuAPodle obr. 3.1.2. – 1jsme zavedli kartézskýsouřadný systém apojmenovali deformacev jednotlivých osách u,v, w a jejich směrovéúhlyyzwAxzAu l lvA k, C 1 2, B 1AlC 1w l w w lA 1AB 2, B C k, C 2Z obrázku je zřejmé jakjsme z vypočtenýchhodnot ve výšeuvedeném postupudospěli k vyjádřeníjednotlivých výslednýchdeformací u A , v A , w A ,Ck,Cl 2B2,Bl 1k,C-2,B l 1-k,C l 1A100

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotů2 2 2A uA vA wACelková odchylkauA vA w Acos x ; cos y ; cos z ;(deformace) δ A aA A Asměrové úhlyObr. 3.1.2. – 16 Výsledná deformace polohovacího ústrojí manipulátoruDemonstrace postupu kontrolního výpočtu manipulátoru robotu, polohujícíhov kartézském souřadném systému se můţe sice zdát poněkud těţkopádná, nicméně je zaloţenana standardních postupech známých z pruţnosti a pevnosti a je bez problémůalgoritmizovatelná a vytvořením programu např. v MatCadu je moţné velmi rychle změnouvstupních parametrů zjistit vhodnější konfiguraci (pokud by předběţný návrh z hlediskatuhosti, resp. přípustných odchylek nevyhověl).Vzhledem k velkému počtu moţných kinematických koncepcí není pochopitelněmoţné všechny probírat podrobně jako výše uvedený příklad a tím spíše je potřebné vracet sek základům pruţnosti a pevnosti.K zavedené zátěţné síle poznamenejme, ţe v praxi budeme převáţně počítats dynamickými účinky, které buď převaţují nad gravitačními nebo jsou řádově stejné –postup výpočtu zůstává stejný, ale důsledky jsou z hlediska provozu robotu jiné. Statickéúčinky (gravitační) můţeme vyřešit z hlediska poţadované přesnosti pro konkrétní úlohupřeprogramováním úlohy. U dynamických účinků tomu tak není a je nutno činit jiná opatření– změnou tuhosti konstrukce počínaje. O dalších se zmíníme v souvislosti s analýzoukritických parametrů robotů.3.1.3. Funkční – předběţné výpočtyTyto výpočty jsou velmi důleţité pro zaloţení konstrukce, splňující poţadavky zadáníve výsledku celého návrhového postupu. zde se projeví zkušenost a schopnosti konstruktéranejvíce, a to především jeho schopnost vytvoření databáze a postupů know how oboru.Konkrétní výpočty jsou doloţeny v kapitolách 2.1, 2.2, 4.2.3, 4.2.4., 5.2.Shrnutí kapitolyV této kapitole jste se seznámili s následujícími pojmy:Akční subsystém robotu a potřebné výpočtyDeformační a pevnostní výpočty akčního subsystému robotuVýpočty analytickéVýpočty s podporou počítačeByla provedena identifikace potřebných výpočtu pro praxi s odvolávkou na obnovenípoznatků z mechaniky a pruţnosti i pevnosti a předmětů zabývajících se počítačovoupodporou těchto výpočtů.101

Principy a metodika výpočtu akčního subsystému robotůKontrolní otázka1) Proč u akčního systému provádí přednostně deformační výpočet prvků?2) K čemu slouţí následný pevnostní výpočet?3) Jaký má dnes význam analytický výpočet?4) O co jde při funkčním výpočtu?Úkol k řešeníRealizujte deformační výpočet – stanovte velikost výsledných deformací v koncovém bodumanipulátoru a velikosti napětí v kritických místech manipulátoru podle Obr. 3.1.2. – 1102

Metodika a prostředky předběžného návrhu robotů4. METODIKA A PROSTŘEDKY PŘEDBĚŢNÉHO NÁVRHUROBOTŮPo úspěšném a aktivním absolvování tohoto BLOKUBudete schopni aplikovat:Obecnou metodiku návrhu mechatronických systémů na návrhservisních robotůSpecifikovat a objasnit:kritické kroky předběţného návrhuCílepřednáškovéhoblokuMetodika, technický systém, mechatronický systém, předběžný návrh,inovace, variabilita, servisní roboty, analýza,servisní činnosti.Klíčová slovaČas ke studiu: 6 hodinS odvoláním na obecné poznatky o metodách návrhu technických systémů, probíranév předmětu Metodika konstruování v oboru, které jsme stručně připomenuli v kapitole 1.2.2. a1.2.3. se budeme zabývat konkrétními aplikacemi vybraných postupů a prostředků pro návrhnových koncepcí a konstrukcí robotů nebo pro jejich významné inovace.103

Metody návrhu servisních robotů4.1. METODY NÁVRHU SERVISNÍCH ROBOTŮPo úspěšném a aktivním absolvování této KAPITOLYBudete umět objasnit:• návrhový postup servisních robotů na základě analýzy konkrétníservisní činnosti• variabilitu konstrukcí servisních robotů na příkladech• základní kroky návrhuPo jejich prostudování porozumíte jejich funkci a konstrukci a budeteschopni samostatně efektory navrhovat.Servisní činnosti, předběžný návrh, inovace, variabilita, servisní roboty,analýza, servisní činnosti.Cíle kapitolyKlíčová slovaČas ke studiu: 3 hodinyVÝKLADJak jiţ bylo zmíněno v kapitole 1.2. je moţné pro návrh nových konstrukcí robotů,podle úrovně vnesených inovací, pouţít různých metod a prostředků, probíraných v předmětuMetodika konstruování v oboru. Půjde nám nyní o to doporučit pro konkrétní prácizačínajících konstruktérů co pouţít pro první kroky a pokusy v tomto směru s tím, ţe dalšípraxí a zkušenostmi mohou svůj vlastní soubor metod a prostředků obohacovat a upřesňovat.Konkretizovaný postup ukáţeme v zaměření na servisní roboty, protoţe zde je prostor proinovace a vývoj principiálně i koncepčně nových konstrukcí výrazně větší, a to i dobudoucnosti (prakticky bez omezení).4.1.1. Charakteristika výchozí situace v servisní roboticeServisní roboty (SR) jako technické systémy jsou studovány v předmětu téhoţ názvu.Zde se budeme zabývat pouze postupem jejich vývoje a okolnostmi významnými pro jejichúspěšný návrh.Jednotná a obecně uznaná definice servisních robotů zatím chybí; jedna z moţnýchzní: SR je volně programovatelné mobilní zařízení, které zčásti nebo zcela automatickyprovádí servis (sluţby). Servis jsou přitom činnosti, které neslouţí přímo k výrobě hmotnýchstatků, ale k působení na lidi a technické systémy i jiné objekty.Obecně je struktura SR tvořena mobilní platformou a jedním či více aplikačnímimoduly. Všeobecně sestává servisní robot z mobilní platformy a/nebo jednoho nebo několikaaplikačních modulů.Aplikačním modulem rozumíme zpravidla manipulační pohybové jednotky a koncovýefektor. Mobilní platformou se rozumí kaţdý systém, který konstrukčními vlastnostmi můţe104

Metody návrhu servisních robotůzajistit jeho pohyblivost. Můţe se pohybovat na kolech, pásech, kráčením, vznášením, létánímnebo plaváním či jakkoliv jinak. Mezi další moduly resp. subsystémy patří modulyinformační, komunikační, řídicí, navigační, bezpečnostní aj.Jak jiţ bylo zmíněno (kap. 1.1.), mezi hlavní podněty pro rozvoj servisní robotiky patřípředevším razantní posilování terciální sféry hospodářství vyspělých států, rozvojinformačních a komunikačních technologií, poptávka firem i domácností po sluţbách. Vedletlaku na racionalizaci je hlavním motorem vývoje zaměření účastníků soutěţe na pouţitímoderních technologií a zařízení. Velký tlak zde vyvíjí firmy, které se dosud věnují výroběprůmyslových robotů a jejich komponent. Je zřejmé, ţe ty budou ( jakoţ i další subsystémy)v konstrukcích SR vyuţitelné ve značném rozsahu, ať jiţ přímo nebo po inovacích.Vstup nových technologií do sluţeb vede obecně k růstu produktivity a kvality. Aby seautomatizace servisu organizačně zvládla budou se podstatně měnit struktury podnikání vesluţbách. Jako výhody lze uvést - sníţení nákladů, sluţby mohou vyuţít průmyslovýchracionalizačních opatření (hromadná výroba, normalizace, standardizace aj.), většíspolehlivost při zajišťování sluţeb, odlehčení vykonavatelů sluţeb od rutinních úloh, zvýšenídiskrétnosti, zvýšení pohotovosti ke sluţbám. Naopak mezi nevýhody patří – je nezbytnávýuka pro kontakt a akceptaci automatů, odpadla individualita a jedinečnost činností,zákazník ztrácí pocit osobní péče, sluţby se redukují na věcné plnění , pocit uspokojenísociálních a psychologických potřeb odpadl.Z hlediska Vědy o navrhování je situace v segmentu servisní robotiky mimořádná acharakteristická velkým podílem koncepčně i principielně nových technologií i konstrukcí, ato při vyuţívání výsledků řady moderních disciplin a jejich produktů, přičemţ i v nich jevelmi dynamická situace z hlediska vývoje. Podíl novosti je těţko srovnatelný s jinou oblastía je nutné předpokládat, ţe tato situace se udrţí dlouho. Potřeba hledání nových metod aprostředků a jejich periodického konstituování je tím dostatečně zdůvodněna.4.1.2. Analýza servisních činnostíŢádný vývoj nové konstrukce robotu nebo hledání inovace nelze zahájit bez analýz,které ukáţou, co je tím podstatným problémem na nějţ je nutné se zaměřit.Pro analýzu sluţeba definici nasazení jsou moţné různé postupy, které mohou významně ovlivnit jak prosazeníautomatizace sluţeb obecně, tak i úspěšnost, či neúspěšnost jednotlivých firem působícíchv této oblasti. V této souvislosti je důleţité vysvětlit samotný pojem servisní činnost. Tentopojem vystihuje jednotlivé profesní činnosti ve sluţbách. Při jejich klasifikaci je pro kaţdouprofesi uvedeno různé členění a různé úrovně členění. Činnosti se přitom musí od sebe lišit,ale nikoliv zásadně (např. čištění, údrţba aj.). Tak lze na dolním klasifikačním stupni najítpráce přesahující mezi profesemi.Tyto činnosti zpravidla nepřispívají k procesu vytvářeníhodnot a budou ve vzrůstající míře z podniků a institucí vyčleněny do externích sluţeb.Podstatným prvkem při hledání racionalizačních moţností je najít pro tento druh manuálníchúkonů a činností vhodné technické systémy.Mimo to je moţné jít např. cestou analýzy jiţ existujících jednotlivých pracovníchpostupů a technologií, které přesahují z oboru do oboru, ale základ technologie (i kdyţs modifikacemi) i/nebo aplikačního technického systému zůstává stejný.K vyšetření dat uvnitř těchto oblastí mohou být zvoleny dva základní postupy. Vestatisticky dobře zpracované a popsané oblasti můţe být pouţita k vyšetření činností metodaTop - Down (TD, shora - dolů). Zde se hledá nejdříve podle zajímavých podskupin na základěexistujících databází.Tyto zase mohou být začleněny do jednotlivých profesí a konečně do105

Metody návrhu servisních robotůjednotlivých činností. Hodnocením vyšetřených činností pak lze posoudit zásadní vhodnostpro zahájení technického vývoje. Jde o metodu, která by měla mít do budoucna jasnouprioritu vzhledem k tomu, ţe v rámci vývoje, jsou posuzovány a hodnoceny aplikačnímoţnosti v širokém rozpětí, takţe mohou být ihned posuzovány varianty a modifikace propodobné aplikace z jiných oblastí a oborů.Zatím však byla a je zpravidla pouţívána metoda Bottom – Up (BU, zdola - nahoru), ato kvůli chybějící databázi, jejíţ získání v širokém rozpětí je nákladné i časově náročné.V tomto případě jsou odkrývány racionalizační moţnosti pomocí expertních pohovorův úzkých oblastech. V praxi bude zřejmě také vyuţívána kombinace postupů BU a popostupné sumarizaci poznatků z širší oblasti ji bude moţné posoudit komplexněji metodouTD. Je však jisté, ţe řada společenských potřeb signalizujících moţnost či nutnostautomatizace procesu a uţití SR se bude dlouho vyskytovat náhodně a s velkou naléhavostí.Jako příklad budiţ uvedeno ţádoucí uţití SR k odstraňování protipěchotních min z oblastíbývalých bojů (celosvětová potřeba, velký počet, krátká ţivotnost, finanční prostředkyk dispozici, politická a společenská podpora aj.).Při hodnocení je třeba aplikační moţnosti tedy vyšetřovat z hledisek politických,technických, ekonomických a ze specifických hledisek nabídkových a akceptačních.Tím lze extrahovat základní uspořádání vyšetřovaných sluţeb z hlediska jejichpotřebnosti na okolnosti individuelní (např. privátní osoby, firemní zájmy aj.), skupinové(skupiny podle povolání, sociální okrajové skupiny aj.), společenské (spolkové, komunální,otevřené sluţby aj.). Konkrétní postup přípravy analýzy, vypracování závěrů ve smysludoporučení k předběţnému zadání úkolu a ověření rizik je ve stadiu diskusí. Avšaknenormované postupy jsou samozřejmě běţně uplatňovány jiţ dnes.Především v Japonsku, USA a SRN byly věnovány na výzkum metod v této oblastivelké prostředky, včetně firemních dotací a prostředků EU. Velký význam má také projevenýzájem o automatizaci sluţeb a formulování poţadavků ze strany podniků, ve sluţbách dnespodnikajících, směrem k výzkumu a zaloţení výzkumného profilu automatizace sluţeb. Mimoto bude podobně jako u PR vývoj probíhat od pouhých jednotlivých SR - jako ostrůvků - kperiferiím a přizpůsobování objektů.Tak např. lze očekávat, ţe kvůli velkým nákladům na udrţování budov, budou tytonavrhovány vhodněji z hlediska údrţby a čištění. Zde je velká úloha pro management, přizvatv plánovací fázi dalších staveb podniky a specialisty v oblasti sluţeb a hledat efektivní anákladově vhodné scénáře pro údrţbu a čištění pomocí SR.Nasazení SR vyvolá také řadu oprávněných otázek. Tak není např. vyjasněno komu bypříslušelo schvalování SR. Předpisy platné pro PR zde mohou být uplatněny jen podmíněně.Zábrany obvyklé u PR jsou u SR jen těţko představitelné. Bude třeba vycházet z tohonavrhovat SR tak, aby z hlediska bezpečnosti a přijatelnosti byly splněny všechny podstatnépoţadavky. Obdobně jako na počátku století při zavádění automobilů bude potřebné vytvořitpravidla pro provoz SR.Kvalifikační struktura zaměstnanců ve sluţbách při nasazení SR se bude měnit, čímţse změní společenské postavení sluţeb. Sluţby budou pracovat s nejmodernějšími prostředkya odpadne velký podíl tělesně namáhavých či dokonce nebezpečných prací. Strukturapodnikání ve sluţbách se přiblíţí provozu moderních závodů a bude lépe pochopena potřebainovací.Započaté změny jsou jiţ dnes v oboru sluţeb identifikovatelné. Nasazením SR budoustaré struktury narušeny. Nyní je třeba diskutovat a působit k realizaci těchto cílů. I zde jeprostor pro tvůrčí technické pracovníky a nové inovační postupy.106

Metody návrhu servisních robotů4.1.3. Variabilita konstrukcí servisních robotůVzhledem k výše uvedenému lze tvrdit, ţe klasifikace SR je značně nejednotná ateprve jejich další rozvoj dodá dost podkladů pro provedení systematického řazení podlerozhodujících znaků. V současné době se klasifikace liší podle autorů, např. se pouţívajíkritéria podle typu servisní úlohy – technologická činnost, netechnologická činnost apomocná činnost, nebo kritéria podle typu prostředí – nepřirozené, nebezpečné, veřejné,domácí a osobní, případně i podle typu podvozku – kolesové, pásové, kráčející a netradiční.Všechna tato kritéria jsou však pro potřeby návrhu a hodnocení konstrukcí velmi hrubá.(Schraft, Volz 1996) zavádí klasifikaci podle oblastí (medicina, stavebnictví, bezpečnost,obchod, domácnost aj.) a v nich podle činností (doprava, čištění, hlídání, opravy, aj.). To sejeví jako dobrý základ k dalšímu strukturování klasifikačního systému. Pro ilustraci dnešníchmoţností k zaloţení klasifikace, ale především pro rozhodnutí o analýze typu TD nebo BUuveďme aspoň jako příklad variability servisních robotů základní přehled o oblastechuplatnění SR pro inspekční činnost.Oblasti nasazení inspekčních robotůInspekční roboty jiţ dnes pokrývají poměrně širokou oblast aplikací a některé činnostijsou dnes bez nich nepředstavitelné. Jedná se především o průzkum dna moří a oceánů vevelkých hloubkách, v oblastech zamořených radiací či jinak nebezpečných pro člověka. Jde oinspekci, při níţ můţe dojít k ohroţení lidského zdraví nebo ţivota, případně ji sám člověk anivykonávat nemůţe. V mnoha případech se jedná o plně autonomní roboty, které mohourozhodovat např. o svém pohybu v neznámém terénu. Existují však také roboty řízenédálkově operátorem, zcela nebo částečně; s řídicím stanovištěm jsou spojeny buď pomocíkabelu nebo radiomodemu.Inspekční činnost vyţaduje splnění specifických poţadavků na konstrukci, v závislostina prostředí, ve kterém se bude SR pohybovat. Roboty se musí samy rozhodovat o dalšímpohybu, umět překonávat terénní překáţky či mapovat neznámý terén. Dalším důleţitýmpoţadavkem je, aby získané informace (obraz z videokamery, data ze senzorů a čidel) bylyv reálném čase k dispozici na stanici operátora. Plně autonomní roboty musí navíc s sebounést řídicí systém a zdroj energie.Prostředí pod vodouTyto roboty mají nahradit nebezpečnou práci potápěčů, kteří jsou i připrovádění rutinních inspekčních činností vystaveni řadě nepříznivých podmínek - vysokémutlaku podle hloubky pod hladinou, sníţené nebo nulové viditelnosti, přílivovým a odlivovýmproudům a moţnosti napadení mořskými predátory. Roboty jsou vyuţívány především progeologický, biologický nebo archeologický průzkum mořského dna. Zatímco potápěči mohoukvůli dekompresi a vysokému tlaku operovat pouze do hloubky několika málo stovek metrů,průměrná hloubka oceánu je zhruba 4 kilometry. Pro speciální hlubinné ponorky s lidskouposádkou sice není problém takových hloubek dosáhnout, ale jsou schopné zkoumat pouzemalou část dna a jejich provoz je velmi nákladný.Konstrukce robotů, operujících pod vodou vychází v podstatě z konstrukcí malýchponorek. Roboty mají vlastní pohon, jsou osazeny kamerami a světlomety, případně dalšímzařízením, slouţícím k inspekci nebo manipulaci. Oproti hlubinným ponorkám disponují107

Metody návrhu servisních robotůřadou výhod. Obsluha neriskuje ţivot, jsou podstatně levnější, doba strávená pod vodou nenízávislá na mnoţství vzduchu v kyslíkových nádrţích a také doprovodná loď je menší.Obr. 4.1.3. – 1 Podvodní robotObr. 4.1.3. – 2 Podvodní robotBěţně pouţívané typy robotů nejsou v současné době ještě zcela autonomní a protomusí být s mateřskou lodí spojeny dlouhým kabelem, coţ značně omezuje jejich akční rádius.Pouţití radiomodemu není moţné, neboť elektromagnetické vlny se pod vodou špatně šíří.V roce 1996 však byl testován plně autonomní podmořský robot Theseus (USA). Připlul z400 km vzdáleného pobřeţí Severní Ameriky na určené místo v Arktidě a po celou dobuplavby, v hloubce okolo 350 metrů, pod metrovou vrstvou ledu, jej nikdo neřídil. Stroj seorientoval pouze podle svých ultrazvukových čidel a dle vlastního navigačního systému.Další významnou oblastí pouţití je inspekce podpěr ropných plošin (obr. 4.1.3. - 1).V současné době je ve světě přes 6000 ropných plošin, z nichţ mnoho je jiţ provozu přes 20let a je nutné jejich nosné části – svařované konstrukce z trubkové oceli pravidelněkontrolovat. Největším nebezpečím pro tyto konstrukce jsou únavové lomy v místě svarů,proto jsou pomocí speciálních efektorů prováděny nedestruktivní materiálové zkoušky. Mimoto jsou tyto roboty obvykle vybaveny ještě dalším efektorem, který slouţí k čištění konstrukceod mořských řas a nánosů, které mohou podporovat vznik koroze.Roboty se také pouţívají k inspekci stěn přehradních hrází. Firma Hydro Quebecvyvinula podvodní robot (obr. 4.1.3. - 2), který je osazen dvěma digitálními kameramis extrémním rozlišením, které detekují i velmi malé trhliny v betonových strukturách hráze ajejich 3D modely ukládají na harddisk. Součástí systému je software pro 3D analýzu trhlin aděr. Vzhledem k poměrně malé hloubce je tento robot řízen a napájen prostřednictvím kabeluze servisního vozidla, také jeho nároky na konstrukci nejsou tak velké jako je tomu upodmořských robotů.Jaderná a chemická zařízeníV oblasti průmyslu se inspekční roboty pouţívají pro inspekci uvnitř jadernýchelektráren, dolů, chemický provozů a všude tam kde pracovníkům hrozí bezprostředníohroţení ţivota. Hlavní oblastí vyuţití jsou především jaderné elektrárny. V současné době senejvíce vyuţívají roboty pro kontrolu palivových článků uvnitř reaktoru. Protoţe jsou článkyponořeny ve vodě, jedná se v podstatě o částečně autonomní ponorky s digitální kamerou.Do budoucna se počítá s tím, ţe statická radiační čidla umístěná např. na podpěráchnebo sloupech zcela nahradí autonomní roboty, vybavené radiačním detektorem. Jednímz prvních takovýchto robotů, je NUPEC, vyvinutý stejnojmennou japonskou firmou. Jedná seo robot na kolovém podvozku, který se pohybuje po předem naprogramované trase na podlaţíbudovy a v případě výskytu radiace se pokusí lokalizovat zdroj záření a automaticky přivolá108

109Metody návrhu servisních robotůobsluhu. Američané pracují na vývoji šestinohého kráčejícího robotu (obr. 4.1.3. – 3), kterýse dokáţe pohybovat po schodišti a můţe tedy pracovat i ve vícepodlaţním objektu.Univerzita v americkém Portsmouthuvyvinula robot Robug II, který slouţí proinspekci vnitřních stěn nádrţí a cisteren nachemikálie a toxické materiály. Robotpoměrně malých rozměrů, pohybující se nadvou magnetických pásech, kterými se drţína stěně nádrţe je vybaven digitálníkamerou, světlomety, navigačním systémema ultrazvukovými senzory. Senzoryumoţňují identifikovat například vznikajícímikrotrhliny a korozi na stěnách nádrţe.Obr. 4.1.3. – 3 Šestinohý kráčející robotDíky své konstrukci můţe pracovatv otvorech o průměru od cca 500 mm, a to iv explozivním nebo vlhkém prostředí. Robot je ovládán jedním operátorem a s řídicíjednotkou je spojen pomocí kabelu.Geologický průzkumObr. 4.1.3. – 4 Šestinohý kráčejícírobotV oblasti geologie se inspekční robotypouţívají zejména k průzkumu kráterů sopek. V dobězvýšené erupční aktivity je pro člověka praktickynemoţné do kráteru vůbec vstoupit (přítomnostjedovatého sopečného plynu a extrémní teploty). Nasamotnou konstrukci robotů jsou proto kladeny vysoképoţadavky. Především musí být schopné překonávatvelmi členitý a nepravidelný skalnatý terén. Z tohotodůvodu lze pouţít pouze kráčející roboty. Materiálypouţité pro konstrukci musí být odolné vůči vysokýmteplotám, a zásahům lávových bomb. Veškeréelektronické součásti je nutno dobře chránit přednepříznivými účinky sopečného plynu.Hlavní činností těchto robotů je analýzafyzikálních a chemických parametrů sopečných hornin,plynu, lávy, dále také topografický a geomorfologickýprůzkum jícnu kráteru a odběr vzorků hornin asopečného plynu, případně ţhavé lávy. Vyhledávánímaktivních sopečných průduchů na dně jícnu kráteru,pomáhají také při výzkumu předvídání doby výbuchu.Nejznámějšími dosud uskutečněnými projekty jsou italský IST a americký Dante I a Dante II(obr. 4.1.3. – 4).ArmádaV oblasti vojenské techniky se inspekční roboty vyuţívají předevšímk průzkumu nepřátelského území a detekci min. Jejich výhodou je relativně nízká cena, alepředevším skutečnost, ţe ztráty na ţivotech se prakticky sniţují na nulu.

Metody návrhu servisních robotůObr. 4.1.3. – 5 Robot pro vyhledávání minObr. 4.1.3. – 6 CyberguardAsi nejznámějším příkladem inspekčních robotů jsou bezpilotní letouny, jeţ jsouv současnosti hojně vyuţívány americkou armádou. Díky kamerám, fotoaparátům a radarůmjsou zdrojem informací za opět relativně nízkou cenu bez ohroţení pilotova ţivota. Ovládajíse buď na dálku, nebo je jejich trasa předem naplánována. Díky nejnovějším technologiímmohou tyto letouny dodávat informace i z terénu stovky kilometrů vzdáleného a v poměrnědobré kvalitě. Americké bezpilotní letouny „Predator“ operují ve výškách přibliţně sedmitisíckilometrů a kromě špionáţních úkolů slouţí také jako radarové rušičky nebo jako útočnézbraně, vybavené raketami vzduch-země. Nejnovějším bezpilotním letounem je„GlobalHawk“. Je poháněn tryskovým motorem při rozpětí křídla 34 metrů. Díky napojení nasatelity a moderním technologiím dokáţe během jediného dne propátrat oblast, velkou jakoČR a přímý přenos umoţňuje velitelům sledovat pohyby ve zkoumaném terénu prakticky online.Americká armáda má také k dispozici autonomní vozidlo na kolovém podvozku provyhledávání protitankových min (obr. 4.1.3. – 5) a na Carnegie Melon university byl sestrojenrobot pro vyhledávání protipěchotních min. Jedná se v podstatě o kolový podvozek, na němţje umístěno dlouhé rameno s efektorem, určeným pro detekci kovů, z jehoţ pomocí senaprogramovaným algoritmem prohledá celý prostor. Efektor je osazen senzory, pracujícímina principu elektromagnetické indukce, a termálními čidly.Ostraha objektů a budovMonitorování a permanentní ostraha rozsáhlých komplexů budov jsou často drahé apro člověka nebezpečné. Inspekční robotické systémy pro tuto činnost se skládají z několikamobilních robotů na kolovém podvozku, vybavených kamerovým systémem, které neustálemonitorují určenou oblast. Tyto roboty předčí klasické bezpečnostní kamery, protoţe nemajíţádný „mrtvý bod“ a jsou schopny opticky pokrýt několikanásobně větší oblast. Signálz kamery je posílán pomocí radiomodemu na dispečink, kde sedí operátor. Pokud operátorzahlédne na monitoru nepovolanou osobu či nepředvídanou událost, má moţnost přepnoutrobota z autonomního módu na manuální ovládání a tak udrţet objekt sledování na monitoru,dokud nezasáhne přivolaná ochranka.Komerčně se těmito roboty zabývají firmy Cybermotion a Microrobotix,Cybermotion vyvinula robot Cyberguard (obr. 4.1.3. – 6), který můţe být kromě kameryosazen mnoha různými senzory, jako jsou tepelná čidla, čidla pro měření vlhkosti,koncentraci plynů ve vzduchu a čidla pro detekci poţáru, coţ značně rozšiřuje oblasti pouţitízejména o průmyslové objekty, sklady, atd. Robot dokáţe během noci urazit aţ 20 kilometrůa jeho provoz stojí zhruba 2 dolary na hodinu. Vzhledem k tomu, ţe se hodinová mzdahlídače pohybuje kolem 13 dolarů (USA), je zde úspora značná. Firma uvádí, ţe návratnosttakovéto investice jsou necelé dva roky.110

Metody návrhu servisních robotůHavárie a ţivelné pohromyV poslední době se začíná vyuţívat vlastností robotů také při vyhledávání ţivých osob,uvězněných pod troskami budov, které se zřítily následkem zemětřesení či výbuchu, neboosob uvězněných v závalech po důlních neštěstích.Pro tuto činnost jsou nejideálnější plazivíroboti, kteří svou konstrukcí a pohybemnapodobují ţivého hada (obr. 4.1.3. – 7).Pohybují se s minimálním dopadem na okolí adostanou se i do míst, která jsou pro roboty nakolovém nebo pásovém podvozku nedostupná.Proto je zde vysoká pravděpodobnost, ţe sedostanou například poměrně hluboko do nitrazřícených budov. Standardně jsou osazenytepelnými senzory, infračervenými kamerami aObr. 4.1.3. – 7 Robot hadcitlivými mikrofony. Kamery jsou schopnypokrýt celý 360° úhel. Tyto roboty jiţ bylynasazeny v praxi a to například po zemětřeseníchv roce 1998 v Turecku a na Taiwanu.Oblastí, kde se roboty jiţ běţně pouţívají jsou letecká neštěstí, kdy se letadlo zřítído oceánu. Jedná se hlavně o nalezení vraku letadla na dně moře a lokalizace černé skříňky.Pro tuto činnost se pouţívají plně autonomní nebo dálkově řízené ponorky.ZdravotnictvíV současné době se začínají pouţívat inspekční roboty při laparoskopické chirurgii.Princip zákroku spočívá v tom, ţe na místo řezu se do pacientova těla vsunou jen několikaotvory nástroje, kamera a zdroj světla. Robot se nahrazuje asistenta, který doposud drţelkameru. Výhoda spočívá v tom, ţe se odstraní třas rukou chirurga a po nějakém čase vzniklánestabilita obrazu. Chirurg robota ovládá hlasem. Na speciální zvukové kartě jsou uloţenypřesné zvukové vzorky, a samotné ovládání spočívá v tom, ţe chirurg jednoduchými povelysděluje robotu jak má kamerou otočit.Inspekce potrubíSpeciální robotické systémy se taktéţ vyuţívají pro nedestruktivní inspekcikanalizačních systémů, plynového potrubí nebo v potrubních strukturách rafinérií achemických závodů. Hlavním úkolem robotů je detailní inspekce vnitřní potrubní stěny, a to iněkolik set metrů od místa vstupu do potrubí. Protoţe je nutno zajistit bezproblémovévyproštění robota z potrubí při nenadálé poruše, je robot spojen s dispečinkem pomocíspeciálního kabelu nebo ocelového lana. Zdroj energie a řídící systémy jsou kvůli nutnostiminimalizace a co nejmenší hmotnosti robotu umístěny v servisním voze.V současné době se tyto systémy vyuţívají k celé škále činností. Od inspekce starýchpotrubních systémů před rekonstrukcí, přes nedestruktivní zkoušky svarů aţ po detekci korozea průsaku odpadních vod nebo olejů. Společně s příslušnými senzory bývá obvykle robotosazen ještě videokamerou a malými světlomety.111

Metody návrhu servisních robotůKonstrukce robotů je vesměs zaloţena na kolovém nebo pásovém podvozku (obr.4.1.3. – 8), avšak s nestandardním a zajímavým řešením přišla americká firma CAT, kterávyvinulašestinohý systém pro inspekcichladírenského potrubí. Tři páry nohou,rozmístěných v úhlovém rozmezí 120° sepomocí pneumatického mechanismuvzpírají do stěn trubky a pomalu se pohybujívpřed. Pneumatické motory jsou umístěnyve středové části robotu. Oproti robotůms kolovými podvozky, dokáţe toto zařízeníbez obtíţí překonávat například náhlouzměnu průměru potrubí a je flexibilnější připohybu v jeho ohybech.Obr. 4.1.3. – 8 Robot pro inspekci potrubíDatabázeZ uvedených příkladů je zřejmý rozptyl koncepcí i provedení a účelových funkcí SR,vyuţívaných pro inspekční činnosti. Zachycený přehled jednotlivých příkladů není zdalekaúplný (z běţně dostupných na internetu). Je tedy představitelný rozsah prací pro inventarizaciprostředí, funkcí a variant provedení prvků i sestav pro konečné závěry o určité unifikaci avariabilitě modulů ke konkrétnímu účelu. Z hlediska struktury (pojednáváme přitom stále omechanickém subsystému SR) bychom rozlišovali subsystém mobility, subsystémmanipulační s nějakým druhem efektoru a subsystém technologický, realizující servisníčinnost – např. čištění, hašení, detekci chemických látek, aj.Při této činnosti bude nezbytné uplatnit jednak principy funkční a hodnotové analýzyk charakteristice silných a slabých míst jednak uplatňovaných postupů (technologie) inspekce,jednak konkrétních funkcí a orgánů jiţ provedených konstrukcí. Dále je nutné pečlivě zváţitvolbu některého z databázových systému pro tento účel. Systém spojuje počítačovou podporukonstrukce, technologie i výroby pomocí znalostních bází typových, konstrukčních atechnologických řešení, realizovaných v konkrétním podniku a vyznačuje se zpravidlaznačnou variabilitou.Takové systémy jsou samozřejmě vyuţitelné pro jakékoliv produkty. Vzhledem knáročnosti postupů pro navrhování mechatronických systémů a trendům při jejich výrobě aaplikacích, se jeví aplikace klasifikačních systémů jako mimořádně efektivní pro výrobce iuţivatele. Grafická obálka dat pak samozřejmě bude zahrnovat všechny vyráběné moduly(včetně řídících, senzorických, periferních aj.) a jejich prvky, včetně jejich parametrů,vlastností, technologie a výkresové dokumentace. Touto formou můţe být pochopitelněintegrována také celá poznatková základna získaná z výzkumu a vývoje v oblasti, která jepředmětem dalšího řešení - ve výše uvedených případech to budou údaje vztaţenék inspekčním činnostem realizovaným prostřednictvím SR. Je tedy uskutečnitelné vytvořenípředběţných variant struktur pro dané zadání, ověření pomocí vícekriteriální analýzy anásledné propracování a podrobné ověřování pomocí jednotlivých segmentů CAD/CAM.V souladu se zásadami metodiky konstruování si všimněme především tvorby variantkoncepčního návrhu produktu. Zde je významnou pomůckou obálka dat, příp. Pro/PDM aj.Nad těmito databázemi lze vytvářet koncepční návrhy, vycházející z parametrů světovýchkonkurenčních produktů nebo směřující k parametrům lepším. Realizovatelnost variant adosaţitelnost jejich parametrů lze kontrolovat velmi rychle pomocí speciálních postupů.112

Metody návrhu servisních robotůPro koncepční řešení lze vyuţít moţností zjednodušené prezentace při vytváření sestavdvěma způsoby: shora - dolů (top - down) a zdola - nahoru (bottom - up). (Pozn.: je nutnéodlišit od stejného označení pro jiný účel v kap. 6.1, pro odlišení pouţíváme písmena maléabecedy).V raných fázích řešení, kdy informační neurčitost je značná, byly dosud uţíványzjednodušené postupy hledání variant řešení, silně závislé na vytvořených databázích, kterésvým způsobem konzervovaly i překonané moţnosti řešení. Postupy navazující na předběţnýnávrh pak byly nutně iterativní, časově i finančně náročné. Optimalizační výpočty a ověřováníkonstrukcí pomocí MKP a důsledná analýza chování konstrukce byly moţné aţ ve fázi dostidetailního prokonstruování jednotlivých stavebních prvků a zpřesnění parametrů, kterévstupují do těchto analýz. Rovněţ změny vnášené do konstrukce byly velmi časově náročné.Zmíněné techniky (top - down, bottom - up), které se uplatňují k některýmspecifickým účelům (průmyslový design), lze vyuţít i pro koncepční etapy řešenímechatronických systémů. V zásadě jde o variantní tvorbu návrhů, která vyuţívázjednodušené prezentace rozhodujících stavebních uzlů a prvků, buď formou „obálek“ nebo„skeletonů“.Pojem obálky odpovídá intuitivnímu chápání významu tohoto slova. Jestliţe jsme jiţdříve vytvořili konstrukce sestav, podsestav, agregátů, či sloţitých dílů, pak Pro/Engineerumoţňuje libovolnou úroveň zjednodušení takové konstrukce, s potlačením vybraných prvků,přičemţ atributy zůstanou zachovány (těţiště, momenty setrvačnosti aj.). Např. při konstrukciSR, máme k dispozici několik modulů a dalších prvků a také jejich obálky. Návrhářijednotlivých skupin pak mohou pracovat nezávisle na sobě (concurrent engineering), přizachování vybraných parametrů. Skeletony jsou naopak nehmotné obrysy těles (vnějšíchrozměrů), skupin, nebo agregátů, kterým však lze libovolné atributy „přidělit„ a simulovat zatěchto zvolených podmínek chování konstrukce. K získaným modelům, pokud nám vyhovujímůţeme dokomponovat postupně reálné agregáty a prvky tak, abychom zvolené atributydodrţeli nebo se jim nejvíce přiblíţili. Můţeme ovšem a budeme logicky co nejvíce pouţívat,v databázi jiţ uloţených obálek existujících prvků s eventuelními úpravami. Zadané úpravy,případně i ve variantách, můţe souběţně konstruovat samostatná konstrukční skupina. Čímširší bude databáze obálek, tím rychleji se dostaneme k výslednému řešení a tím více variant,podle zadaných poţadavků zvládnem. Potřebné analýzy a optimalizace konstrukce a následnéúpravy jsou jiţ velmi přesně cílené a proto rychlé.Části konstrukce ve kterých se objevují výraznější disproporce mezi atributy obálek askeletonů, pak zkoumáme dál, s vyuţitím systému pro podporu inovačního myšlení přitvůrčích technických činnostech - Invention Machine a metodami funkční analýzy.Mechatronické systémy se vyznačují tendencemi k vytváření modulárních struktur,coţ uvedeným postupům napomáhá.4.1.4. Předběţný návrh - studieZákladní kroky – charakteristika a postupNávrh SR je odpovědí na vznik určité potřeby, přičemţ představa se odvíjí od účelovéfunkce, zpravidla tedy transformace realizované známou nebo neznámou technologií.Samozřejmě můţe být na začátku i první impuls dán z činnosti jiţ existujícího SR, který byvariantně mohl plnit podobnou účelovou funkci. I v tomto případě se musíme vrátit k analýzetechnologie a k provedení její optimalizace.113

Metody návrhu servisních robotůPrvní nápady musí být nejdříve nějak zachyceny a představeny - popíší se základníúkoly k podchycení účelové funkce, oblast nasazení, předběţný poţadavkový profil systému,state of art (aktuální stav provádění).Pokud se týká specifikace uvedených atributů je nutné vţdy kontaktovat tři důleţitésubjekty k jejich upřesnění:Provozovatele (osoba či firma) - představuje potenciálního kupce SR , jehoţ sluţbynabízí.Obsluhu SR - je zodpovědná za manipulaci a řízení systému. Definuje takékvalifikační poţadavky, které se pro manipulaci se systémem musí stanovit.Uţivatele - nárokuje sluţby SR.Můţe jít o stejné nebo rozdílné osoby nebo okruhy osob.Uţitný profil systému umoţňuje odstupňování a hodnocení ţádoucích předností(výhod) při nasazení SR. Profil je strukturován z hledisek - finančních, kvalitativních,sociálněetických (velmi důleţitý aspekt u většiny SR) a image (společenská akceptace).Umoţňuje konfrontaci předností SR s dosud pouţívanými postupy (srovnatelnými sluţbami).Z ekonomického hlediska je nutný odhad a porovnání nákladů na základě trţního potenciálu aoperačního času (doby provedení).Pro rozvoj komunikace nad všemi aspekty moţného návrhu je nutné se rychledopracovat k vizualizaci návrhu. To ovšem aţ po etapě návrhu funkční struktury, kdy sedůsledně drţíme zásahy abstrahování od konkrétních představ (při jednání s uţivatelem tonelze vţdy dodrţet). K vizualizaci existují jako vhodné nástroje dnešní ICAD systémy, kteréumoţňují vytváření představ o produktu v různých úrovních kompletace a propracování,počínaje jednočárovými schématy, přes vyuţití „prázdných prvků“, obálek, zjednodušenýchreprezentací aj. Je moţné jiţ v této fázi vyšetřovat kolize, modelovat funkci mechanizmů,ověřovat hmotnostní parametry, těţiště, optimalizovat konstrukční parametry i rozdělenínapětí a deformací, to vše za cenu nepříliš velkých nákladů a časových nároků.Obr. 4.1.4. – 1 S diagramyVizualizace také pomáhá upřesnit, které funkce mají být systémem plněny a mimo tose jiţ v této fázi získává přehled o kritických prvcích, agregátech nebo subsystémech.Technickoekonomická analýza a hodnocení má principielně prokázat technickourealizovatelnost a ekonomickou realizovatelnost. Protoţe pro tyto první analýzy je údajůvelmi málo je nutné stavět zejména na funkční a nákladové analýze TechOptimizeru, případněexistují-li jiţ srovnatelné produkty, pak na srovnání s nimi a konečně si lze vypomocivytvářením modelových prototypů, ve kterých bude pouţito částečně známých prvků asystémů (nebo srovnatelných) a nebo dílčí „kritické“ uzly budou ověřovány počítačovousimulací, případně na fyzikálních modelech měřením, kde zvláště uplatnění Rapidprototypingu s následným testováním můţe vyjasnit cestu k překonání problému.114

Metody návrhu servisních robotůPři prvních odhadech ekonomických aspektů řešení vycházíme ze srovnánícharakteristik současného stavu provádění sluţeb s odhady pro aplikaci nově navrţenýchservisních robotů. Jedná se především o porovnání provozních a pořizovacích (případněvýrobních) nákladů, časů k provedení sluţby, počet specifických sluţeb poskytovaných SR,trţní potenciál vztaţený na segmenty trhu, jiné výhody či přínosy.K systematickému posuzování výsledků lze uţít i poměrně jednoduchých hodnotícíchmetod a ke zpracování výsledků pouţít např. „S“ diagramu (obr. 4.1.4. – 1). V levé částiobrázku jsou naznačeny výsledky předběţného hodnocení variant, v pravé postupnéhodnocení vybrané varianty v různých etapách vývoje.Příklad postupu při předběţném návrhuRelativně rychlé nenáročné zpracování předběţných návrhů SR pro určitou oblastaplikací lze vypracovat různými způsoby i kdyţ jednotlivé základní kroky budou vţdyobsaţeny. Jde vesměs o podklady určené pro předběţná jednání se zainteresovanými subjektyv dané oblasti, jimiţ můţe být výsledek značně ovlivněn. Schéma postupu je podchycenov tab. 4.1.4. – 1, 2.Tab. 4.1.4. – 1 Příprava předběţného návrhu - studieZ oblasti uvedených inspekčních činností byly zpracovány podklady a jedenz předběţných návrhů SR se základní specifikací. Na obr. 4.1.4. – 2,3 je celková sestavadrátového i stínovaný modelu inspekčního potrubního robotu vytvořený v Pro/ENGINEERu,charakterizovaný v tabulce základními atributy. Dále je v obr. 4.1.4. – 4 obdobně vytvořenmodel mobilní báze SR jako jedna z dalších verzí pro realizaci.115

Metody návrhu servisních robotůTab. 4.1.4. – 2 Konkretizace tvorby studie na příkladu4.1.5. Vlastní postup návrhu servisních robotůNa základě dosud uvedených výchozích úvah a údajů uveďme do souvislostí získanépoznatky. Je dána globální situace průmyslového a hospodářského vývoje s objektivněformulovanými poţadavky trhu, které se promítají do tvůrčí a výrobní činnosti konkrétníchfirem a odvětví. Jsou k dispozici soubory poznatků Vědy o konstruování, Integrované metodyz různých oblastí, nové poznatky o tvůrčí činnosti zahrnuté do metod TRIZ, ARIZ, dále řadaprostředků (a do nich promítnutých metod) počítačové podpory návrhu – typu TechOptimizer,ICAD, MKP, PROENGINEER, SolidWorks, aj., organizační software jako doplňkové, alevýznamné prostředky (Project).116

Metody návrhu servisních robotůJde nám o racionální řešení přechodu od zadání úkolu (vysoká informační neurčitost atedy nejistota o dosaţení cíle), který se jeví jako zcela nový, k nalezení popisu novéhotechnického systému (jeho stavební struktury), který realizuje poţadované výstupní účinky(účelové funkce) optimálně.Obr. 4.1.4. – 2 Stínovaný modelObr. 4.1.4. – 3 Drátový modelPřímé řešení konstrukční úlohy,jak bylo uvedeno, není obecně moţné, jenutné nejdříve stanovit jádro úlohy,účinky nebo účelové funkce technickéhosystému. Transformační úloha je protovyjádřena nejdříve jen černou skříňkou.Následuje rozhodnutí o technologickémprincipu a technickém procesu, v němţ sepoţadovaná transformace uskutečňuje.Pro realizaci technického systémulze pak vymezit potřebné funkce avytvořit funkční strukturu jakonejobecnější představu o navrhovanémObr. 4.1.4. – 4 Další varianta řešenítechnickém systému, kterýkonkretizujeme pomocí morfologické matice. V ní hledáme k funkcím vhodné orgány,realizující funkční principy fyzicky, na základě vyhovujících fyzikálních efektů. Výsledkemje, v rámci koncipování, vytvořená orgánová struktura. Jak funkční, tak i orgánová struktura,umoţňují tvorbu variant a musí být, na základě hodnocení podle zvolených kritérií,optimalizovány. Pro definitivní popis nově navrhovaného technického systému pakorgánovou strukturu převádíme na strukturu stavební.Od vyjasnění úkolu k optimalizaci technologieÚkol můţe být v servisní robotice zaloţen různým způsobem. Můţe jít o konkrétněprojevený zájem skupiny zákazníků na trhu, zájem konkrétního zákazníka projevenýk výrobci, přípravu výrobce na uspokojení identifikované potenciální potřebyautomatizovaného servisu v různých oblastech aj.117

Metody návrhu servisních robotůVe všech případech bude nutné pro vyjasnění úkolu komunikovat se zainteresovanýmistranami a je tedy vhodné zpracovat předběţný záměr (studii), jejíţ pracnost není příliš velká(viz předchozí kapitola). Lze předpokládat, ţe pro konstruktéra servisních robotů budou jakdosud uţívaná technologie servisní činnosti, tak i prostředí a specielní poznatky oboru zcelanové a potřebný průzkum se bude dotýkat poměrně velkého počtu osob (případně i firem,úřadů a institucí). Pokud bude snahou firmy pokrýt svými produkty celou jednu oblastservisních činností pak je nezbytné zaloţit vhodnou databázi na zvoleném software a uplatnitvhodný klasifikační systém, do kterého lze výsledky vyšetřování zavést a podlecharakteristických znaků srovnávat s jiţ realizovanými konstrukcemi do databázezavedenými. Databáze bude zahrnovat jak schémata struktur, tak varianty modulů a prvků.Významnou součástí stanovení úkolu je vyšetření profilu poţadavků, a to transformacízákaznických poţadavků do vlastností výrobků, aplikací metody QFD, která sama o sobězahrnuje splnění dalších úkolů, jako je srovnání zjištěných poţadavků s konkurencí, zjištěnívýznamnosti jednotlivých vlastností a konkretizace rozsahu hodnot parametrů vlastností.Výstupem je seznam poţadavků, který však bude ještě v dalším postupu zpřesňován. V tétofázi se zakládá projektové řízení úkolu a naplňuje databáze sw Microsoft Project.Optimalizace technologieVzhledem k poţadavku abstrahování od konkrétních představ o konkrétním fyzickémprovedení SR (stavební struktura), začínáme vţdy (bez ohledu na předběţnou studii a různépředstavy, plynoucí z prvních expertních pohovorů se zainteresovanými subjekty) od návrhutechnologie, resp. technického procesu.Důsledné vyuţívání modulu Product Analysis TechOptimizeru, dává moţnost jiţv této etapě posuzovat vzájemné ovlivňování jednotlivých prvků systému, z hlediskaţádaného cíle, formulovat představy o působení (druzích i úrovni) uţitečných i škodlivýchvlivů, o problémech a nákladech atd.Je moţné zaloţit více variant (jako samostatné projekty TO) technického procesu,nebo vycházet z jedné varianty a její modifikací (trimováním, zlepšováním funkcí) anásledným hodnocením se blíţit k optimálnímu řešení, ve fázi zatím verbálního vyjádřenífunkcí.Výsledkem je inventura problémů, které jsou podle závaţnosti hodnoceny apřipraveny pro formulaci zadání úloh, které v rámci projektu musí být řešeny (zde je namístědoplnit databázi projektového řízení).Orgánová strukturaPřechod od funkcí formulovaných v rámci navrţené struktury technického procesuk orgánové struktuře, tj. k moţným fyzikálním realizacím funkcí je proveditelný (racionálně)pouze přes morfologickou matici. Kaţdou z vybraných variant (navzájem porovnaných nazákladě vhodné hodnotící metody hodnotové analýzy HA) zavedeme jako samostatný projektdo Product Analysis TO. Tato analýza je dalším stupněm optimalizace jiţ konkrétněpojmenovaných orgánů – při kreslení grafů komponentní struktury, vazební a funkčnístruktury je nezbytné současně zpřesňovat nebo znovu vykreslit hrubý 3D model(y).Vybrané problémy, které posléze zůstávají k řešení jsou přesouvány do modulůsyntézy (Efekty, Principy, Prognózy).118

Metody návrhu servisních robotůNávrh stavební strukturyStavební struktura v nejhrubší podobě je ve variantách k dispozici vlastně jiţ odpředběţné studie. Po formulaci a sestavení orgánové struktury ji můţeme doplnit jako modelICAD systému do různé úrovně (podle okolností – některé prvky mohou být převzaty úplně,jiné modifikovány, další vytvořeny přímo v sestavě, lze pouţít „prázdných“ prvků, obálek,zjednodušené reprezentace prvku, podsestavy, uzlu. Dále vyuţíváme ke tvorbě unifikovanýchprvků funkci Family Table, k zaloţení principu funkce mechanizmů, jejich schéma, pomocífunkce Layout.Jednotlivé části stavební struktury mohou být optimalizovány funkcí BehaviorModeler, vyšetřovány kolizní situace v sestavě a podle konstrukčního záměru upřesňovánaparametrizace v závislosti na zvolených základních parametrech.Kontrola návrhuJeště před úplným dokončením struktury, tam kde je nejistota o úspěšném řešeníproblémů, nebo prvků, lze i na hrubém modelu provést předběţné kontroly, vyuţitím např.modulů Motion a Structure, na základě vytvořeného modelu v Pro/ENGINEERu.Podrobnou kontrolu pak provedeme na základě postupů – kinematické a dynamickéanalýzy (Skařupa, Mostýn 2001) po úplném dokončení stavební struktury, s přípustnýmzjednodušením vyšetřovaných modelů v Pro/MECHANICE, WorkingModelu, ap.4.1.6. Celkový přehled návrhu servisních robotůSchématicky je postup návrhu nového SR, v části která vyuţívá TO, vyjádřen v obr.4.1.6.–1 a v tab. 4.1.6.-1., z nichţ jsou zřejmé souvislosti mezi všemi kroky postupu apouţitými hlavními metodami a prostředky.Obr. 4.1.6.-1 Graf postupu119

Metody návrhu servisních robotůNázev etapy Základní kroky Metody a prostředkyStanovení úkolu Upřesnění typu úkolu(poţadovaných účinků)Expertní pohovoryVypracování předběţných návrhů(studie)Hrubý modelExpertní pohovory ke studiiTermínové, kapacitní a nákladovéplánování, příprava concurrentengineeringu, síťové plánování,upřesnění zdrojů – zaloţeníprojektového řízení, sw MS Project.Stanovení cílůQFD a související činnostiStanovení poţadavkůPoţadavkový listTvorba koncepcí Návrh technického procesu –varianty, analýza a optimalizace(technologický princip a postup)Funkčně nákladová syntéza aanalýzaTRIZ, ARIZZaloţení potřebného počtuprojektů v TechOptimizeru v. x.,modul analýzy procesu (aplikacepoţadavkového listu)Stanovení funkční struktury TechOptimizer v. x., modulanalýzy procesuStanovení orgánové struktury Aplikace morfologické maticeHodnocení variantÚprava a doplnění hrubýchmodelů (ICAD)Přechod k analýze konkrétníchvariant modelu v modulu analýzyproduktu (TechOptimizeru),vyhodnocení problémů, trimování azlepšení funkčnostiZlepšení struktury a částečnéodstranění problémů pomocí moduluzáměny prvků.Aplikace Manaţera problémůk řešení nejvýznamnějších problémův modulech syntézy TechOptimizeru.Internetový asistent (předběţnéověření právní čistoty řešení)NavrhováníVypracování hrubé stavebnístruktury120Aplikace Layoutu – upřesněníparametrizace, Behavior modeleruRozpracování 3D modelů nazákladě orgánové struktury) – ICAD,Pro/ENGINEER, doplnění parametrů,stanovení předběţných hmotnostníchparametrů, převzetí modelů SR nebojejich částí do Pro/MECHANIKY,dílčí optimalizace rozměrů v moduluMotion, StructurePředběţné výpočty a ověřování

Metody návrhu servisních robotůVypracování úplné stavebnístrukturyDetailování úplnéstavební strukturyObr. 4.1.6.-1 Přehled postupu postupuzákladních parametrůVarianty a optimalizace SSAnalýza problémů v TO, modulanalýzy produktuICAD – Pro/ENGINEERUpřesnění technických vlastnostípři vyuţití simulací, Pro/MECH,WorkingModel, DYMOLAKontrolní výpočty (viz postupylit. Teorie průmyslových robotů)Kontrolní výpočtyShrnutí kapitolyV této kapitole jste se seznámili s následujícími pojmy:Servisní činnostiAnalýza servisních činnostíStudie předběţného návrhuCelkový přehled návrhuAnalýzou servisní činnosti, kterou chceme automatizovat získáme základní orientaci vestruktuře funkcí a odpovídajících prvků, které bude robot muset realizovat pro úspěšný návrhkoncepčního řešení.Kontrolní otázka1) Co je to servisní činnost?2) Jaké struktury pro návrh robotu potřebujeme zpracovat z analýzy servisních činností?3) Co to jsou S křivky a k čemu slouţí?4) Jaké jsou základní poloţky studie – scénáře pro předběţný návrh servisního robotu?121

Metody návrhu servisních robotůÚkol k řešeníSestavte studii - scénář pro návrh servisního robotu navrhovaného pro konkrétní technologii.Pouţijte některý z jiţ realizovaných servisních robotů s dokumentací zvolenou z internetu, alepro změněný objekt servisní činnosti (např. sklizeň rajčat změnte na sklizeň jiné plodiny aporovnejte odchylky v konstrukci)!122

Prostředky návrhu průmyslových robotů4.2. METODY NÁVRHU PRŮMYSLOVÝCH ROBOTŮPo úspěšném a aktivním absolvování této KAPITOLYBudete umět specifikovat:• Poţadavky a kritéria pro konstrukci průmyslových robotů• Základní úkoly a stanovení koncepcí• Předběţné funkční výpočty průmyslových robotů• Postupy návrhu a výpočtů modulárních robotůCíle kapitolyPožadavky, kritéria, konstrukce, průmyslové roboty, volba koncepcí,předběžné výpočty, funkční výpočty, modulární roboty.Klíčová slovaČas ke studiu: 3 hodinyVÝKLADMnohé z poznatků o návrhu servisních robotů lze přímo vyuţít i pro průmyslovéroboty s tím, ţe prostředí ve kterém robot působí a úlohy, které řeší jsou většinou jednodušší aprozkoumanější, čili přenos poznatků (know how) je lépe zvládnutelný a uplatnitelný. Avšak izde vznikají mnohdy zásadní inovace, které vyţadují metody návrhu popsané u servisníchrobotů.4.2.1. Poţadavky a kritéria pro konstrukci průmyslových robotůKonstruktéři robotů musí vyuţívat propracovanější nástroje i k definici poţadavků nakonstrukci, ke stanovení profilu poţadavků, a to zvláště se zřetelem k rychle se měnícímpotřebám trhu.Zásadním přínosem k rychlému převodu poznatků na řešení zařízení je vytvořeníodpovídajícího systému počítačové podpory pro návrh geometrického, kinematického adynamického modelu k volbě kinematického řetězce z hlediska optimalizace systému, kpoznání slabých míst a k přezkoušení fyzikálních omezení výkonu zařízení při programování.Značný význam má co nejpřesnější vystiţení chování zařízení při zohlednění strojníchkomponent. Pro návrh se pouţívají dosud různé metody, které však se různým způsobemkombinují mezi sebou i s dříve obvyklými inţenýrskými postupy, protoţe ne všechnymoderní metody pro daný účel vyhovují nebo jsou nedostatečně rozvinuty, nehledě kutajování firemního know how.123

Prostředky návrhu průmyslových robotůJde zejména o metody pro:návrh koncepcí PRdefinování globálních poţadavkůprofil poţadavků (poţadavkový list)interakci s charakteristikami ovlivňujícími nákladyvytvoření geometrického modelu vyšetření pracovního a kolizního prostoruvyšetření geometrických souvislostí pro konkrétní typ robotuvyšetření inverzní transformace pro příslušný počet stupňů volnostistanovení geometrických rozměrů podle definovaných úkolůznázornění pohyblivosti kinematického řetězcevytvoření kinematického modelu určení charakteristik řízení při provozu PTPurčení charakteristik řízení při provozu CPoptimalizace podle časusrovnání různých kinematických řetězcůpřepočet na pohyby tuhých těleskinematické dimenzování pro zadané výpočtyvytvoření dynamického modelu sestavení pohybových rovniczatíţení systému a jednotlivých komponentzohlednění pohonů v pohybových rovnicíchanalýza chování systému z hlediska poddajnostiKonstrukce robotu vyjadřuje cíle výrobce a poţadavky uţivatele na koncepci zařízení.Výrobci své cíle zpravidla formulují podle své pozice na trhu (tab. 4.2.1.-1,2).Mimo tyto obecně platné poţadavky je třeba vyšetřovat poţadavky specifické z obouhledisek.Vycházíme z předpokladu, ţe bude v zásadě opakována některá z jiţ známých avyuţívaných koncepcí průmyslových robotů s případnou dílčí inovací (v koncepci). V případěaplikace nových technologií a z toho vyplývajících nových koncepcí PR lze aplikovat postupuvedený u servisních robotů.4.2.2. Volba koncepceZákladním koncepčním rozhodnutím při návrhu průmyslových robotů je volbakinematického řetězce se všemi jeho základními atributy a přizpůsobení poţadovanýmúkolům (tab. 4.2.1.-3). Potřebné prostředky počítačové podpory by měly být uţity k těmtoúkolům co nejdříve jiţ ve fázi návrhu.124

Prostředky návrhu průmyslových robotůKritérium Popis Formulace řešení ÚčinekJednodušší stavba robotu Výběr nejjednodušších Výběr vhodných Zmenšení výrobníchnávrhů, které splnípoţadovaný profilpoţadavků dostatečněkinematických řetězcůa omezení rozměrůrobotunákladů, zvláště namontáţZvýšení spolehlivostiPřiměřené výrobníNormalizace astandardizaceOdpovídající pouţitístandardních komponent125toleranceZmenšení počtu dílůPouţití osvědčenýchkomponentFlexibilita Rozšíření oblasti aplikací Univerzální koncepceStavebnicové(modulární) řešeníZmenšení nákladů nakonstrukci, výrobu,testování a skladováníZjednodušené uţitínáhradních dílůZpravidla vyššímateriálové nákladyNiţší náklady přikonstruování, výroběa testováníKratší dodací lhůtyVyšší sériovostLehká konstrukce Zlepšení poměrů hmotnost Vyšetření relace Zmenšení spotřeby(tenkostěnná)vs. uţitečné zatíţenítuhosti os k tuhostihnacích komponentenergie a nákladů napohony a výkonovéAplikace metody prvkysystémů s více tělesy ZmenšeníNasazení metod materiálových výdajůkonečných prvků Sníţení časů propřemístěníTab. 4.2.1.-1 Cíle konstrukce robotů z hlediska výrobcůKritérium Popis Formulace řešení ÚčinekPřiblíţení aplikaci optimální přizpůsobení aplikace expertní účelné vynaloţeníúkoludotazníkové metody, nákladůanalýza pracovní zvýšení výkonnostiscény a systémujednodušší obsluhapřizpůsobení danýmmanipulačnímúkolůmSpolehlivost a bezpečnost bezpečnější provoz bezrušivých vlivů z hlediskahw a sw opatření kesníţení přetíţenílepší vyuţitelnost apoklesdefinovaných nároků provedení analýzy k zvýšení bezpečnostizařízenívyhledání slabých pro obsluţný personálmíst konstrukcepříprava a návrhfunkční diagnostikySnadná údrţba a obsluha zjednodušení obsluţných a dostupnostširší vyuţitelnost aúdrţbářských pracíelektrických zařízení pokles nákladů naarozvodů, údrţbupřevodových prvků a jednodušší montáţpohonůjednoduché seřízeníPříznivá energetickábilanceminimalizace spotřebyenergie pro daný úkolvolba vhodnýchkinematických řetězcůvolba optimálníchpřevodových poměrůlehké konstrukcevyšetření optimálníchpokles spotřebyenergie u výrobce i uuţivatelepokles nákladů na napohony i výkonnéprvky

Prostředky návrhu průmyslových robotůtrajektoriíTab. 4.2.1.-2 Poţadavky na konstrukci robotů z hlediska uţivatelůTabulka odvozuje dílčí funkce prvků od koncepčních dílčích úkolů, coţ v důsledku vedek volbě odpovídajících prvků.Koncepční dílčí úkoly Dílčí funkce prvků Dílčí prvkyUrčení zařízení pro pohybkinematického řetězce a efektoruUrčení mechanického zařízení kpohybu objektu manipulace (OM)Určení zařízení k zajištění danépolohy a orientace OMUrčení zařízení k zapamatování,transformaci, výpočtu a vydánísignáluUrčení zařízení pro změnu na signálvyššího výkonuUrčit interface člověk-strojZákladní úkolyVe fázi koncepce identifikujeme dílčí koncepční úkoly pro návrh PR; mezi dílčímisubsystémy existují důleţité vztahy, které je třeba brát v úvahu, protoţe tvorba koncepce avlastní vývoj se většinou odehrávají v oddělených pracovních skupinách.Patří sem: Stavba a chování systému kinematického řetězce v závislosti na výkonnostiřídicího systému.Zatíţení kinematického řetězce v závislosti na parametrech a nákladechvýkonových částí.Koncepce efektoru v závislosti na kinematickém řetězci a vlastnostech řízení.Kombinací translačních a rotačních kinematických dvojic lze dosáhnout velkého počtumoţných řešení. Při zváţení různých závislostí a omezení však počet efektivních řešeníznačně klesne.Nejdůleţitější omezení: Počet os - kaţdá osa zvyšuje výrobní náklady kinematického řetězce, řízení ivýkonových částí a vede zpravidla ke sníţení přesnosti polohování nebo dráhy(vzhledem ke sčítání chyb).Přivedení kinematického řetězce aefektoru k pracovnímu místuPohyb OM k pracovnímu místuDrţení, případně uvolnění OMData podle zadaného programupřeměnit v příkazy k pohybu prokinematický řetězec a pojezdovoujednotkuEnergii měnitInterface k manuelnímu zadáníúkolů člověkem a vazba na programpohybuSpojit program pohybu online sčlověkem, offline s počítačemAutomatické zpracování apřevedení do programu pohybuPojezdová jednotkaKinematický řetězecEfektorŘízeníVýkonová částObsluţná částVyškolit personál k programování aČlověk, počítačkontrole testovacího cykluUrčit senzory a senzorické řízení aSenzory, senzorické řízeníspojit s řízenímTab. 4.2.1.-3 Koncepční dílčí úkoly při vývoji systému robotu se známými dílčími prvky a jejich funkcemiUspořádání polohovacích a orientačních pohybů - zkušenosti ukazují, ţe jeúčelné kinematický řetězec v hlavních a vedlejších osách oddělit. Hlavní osyjsou podstatné pro vytvoření pracovního prostoru (bez orientace), vedlejší osy126

Prostředky návrhu průmyslových robotůjen málo ovlivňují polohu a slouţí pro orientaci. Tímto oddělením úloh jemoţné jednotlivým osám přiřadit velmi odlišné parametry výkonu.Souvislost mezi manipulačními úkoly, počet programovatelných os a jejichuspořádání - ve výrobě často existují úkoly, kde postačuje méně neţ 6 stupňůvolnosti. Proto je moţné kombinací kartézských os realizovat pohyby popřímkách v prostoru, při provozu PTP. Podobně to platí pro struktury sparalelogramy a rotačními osami.Druh provedení os - rotační osy jsou zpravidla výrazně levnější i kdyţ dnes tojiţ nehraje tak výraznou roli.Postup při koncipování PRZákladním předpokladem při koncipování konstrukce je určení, které kinematickéřetězce a jakými mezními parametry splní dané manipulační úkoly z hlediska geometrie - paklze nalézt jednoznačné řešení z hlediska minimálních poţadavků na uspořádání os,vzdáleností os a rozsahu jejich pootočení (tab. 4.2.1.- 4).V dalším kroku můţeme, podle toho, zda má být robot provozován v PTP (point topoint)nebo CP nebo v obou reţimech, stanovit kinematické charakteristiky aspoň přibliţně(otázky 2, 3 tab. 4.2.1.- 4), v tom smyslu, ţe se pokoušíme minimalizovat počet variant prominimalizaci doby přemístění (při PTP provozu) nebo pro minimalizaci kloubových rychlostía zrychlení (při CP provozu).Taková vyšetřování nám ukáţou tendence, ale nedají jednoznačná řešení. Abychomproblematiku zjednodušili můţe být potřebné operovat s jednotkovými hodnotami přimaximálně přípustných rychlostech a zrychleních v těţišti efektoru a určovat jen relativnípoměry osových rychlostí a zrychlení a příslušných osových vzdáleností. Na základězískaných rozsahů charakteristik je třeba určit konečnou koncepci nulté série při zohledněnídynamických charakteristik (tab. 4.2.1.- 5). Podobně to platí pro provozní a další uţivatelskécharakteristiky (tab. 4.2.1.- 6,7).OtázkaKrok řešeníParametry pro upřesněnířešeníParametry robotu1. Jaké kinematickéřetězce a při jakýchrozměrech mohou splnitdané geometrickémanipulační úlohy?Volba kinematickýchřetězcůVolba geometrických datos a polohy osPolohovací aorientační vektor XNáklady spojené suspořádáním osPolohovací aorientační vektor XObjekty v koliznímprostoruPočet řízených osUspořádání osMechanickásynchronizace osVzdálenosti os arozsahy pohybůPohyblivostkinematického řetězceKolizní prostor2. Jaká koncepce uzlů připrovozu PTP můţeminimalizovat dobypohybu ?Volba kinematických datosNajíţděcí (startovací)polohy a orientace vkolizním prostoruMaximální rychlost azrychlení v těţištiefektoruPočet přemístěníRychlosti a zrychlenívztaţené k osámMechanickásynchronizace osPřejíţděcí funkce127

Prostředky návrhu průmyslových robotů3. Jaká koncepce robotupři CP provozunepřekračuje zadanékinematické parametry?Volba vhodného nastaveníosPřezkoušenígeometrických dat os anastavení radiusvektorůPřezkoušeníkinematických řetězcůVolba kinematických datosVolba vhodnýchintepolačních metodPřezkoušenígeometrických dat os anastavení radiusvektorůMaximální rychlost azrychlení v těţištiefektoruPočet přemístěníNávrat k otázce 1Provoz PTPSynchronníprovozPTPSrovnání různých kinematických řetězcůNávrat k otázce 1Najíţděcí (startovací) Rychlosti a zrychlenípolohy a orientace v vztaţené k osámkolizním prostoru Mechanická(nebezpečném)synchronizace osDruh vazby atrajektorie mezistartovacími(výchozími) body vkolizním prostoruMaximální rychlost azrychlení v těţištiefektoruMaximální rychlost azrychlení v těţištiefektoruSrovnání různých kinematických řetězcůNávrat k otázce 1Tab. 4.2.1.-4 Postup a pravidla pro určení geometrických a kinematických charakteristikDalší tabulka řeší volbu dynamických charakteristik:Paulova metodaTaylorova metoda4. Jaká koncepce vede kvyváţenému řešeníodpovídajícímumanipulačním úlohám?Volba uţitečných zatíţenía jejich styčných(počátečních) bodůVolba osových(kloubových) skříníStanovené výhodnépoměry uţitečnéhozatíţení/velikostzdvihu z analýzypracovní plochyMaximální síla drţenív těţišti efektoruPrincip uloţení osMaximální namáhání(napětí, statickádeformace,dynamickápoddajnost) tělesakloubu a uloţeníhřídele kloubuUţitečné zatíţení vzávislosti na nastaveníos a kinematickýchosových dat určenýchv otázkách 2 a 3Rozměry a zadánítvaru os ( momentysetrvačnosti,hmotnosti, těţištěhmot) a uloţení os sohledem na rezervyhnacích prvků128

Prostředky návrhu průmyslových robotůVolba a umístění hnacíchprvků a vyvaţovacíchsystémůMaximální řídící (?)moment v hnací větviosMaximální namáhánítělesa kloubu anosníku kloubuMaximální přípustnástatická deformacecelého systémuMaximální přípustnádynamickápoddajnost celéhosystémuŘešení odměřovacíhosystémuPřezkoušeníNávrat k otázce 1geometrických dat os anastavení radiusvektorůPřezkoušeníNávrat k otázce 2 a/nebo 3kinematických dat osPřezkoušení seřízení os (?) Návrat k otázce 2 a/nebo 3a/nebo interpolačnímetodyTab. 4.2.1.-5 Postup a pravidla pro určení dynamických charakteristikRozměry,radiusvektory ahmotnosti hnacíchprvků pevněspojených s tělesemkloubuRadiusvektor,hmotnosti, momentysetrvačnosti a převodyrotačních prvkůvčetně odměřovacíhosystémuElektrický pohon(výkon, proud)Pole charakteristikgravitačníhovyvaţovacíhosystémuMechanickásynchronizace osNyní je třeba řešit postup a pravidla k zajištění optimálního provozu robotu:5. Jakými opatřenímimůţe být zajištěnspolehlivější abezporuchový provozrobotu a jeho přizpůsobenímanipulačním úkolům?Identifikace slabých místrobotu pomocítechnických měřeníPřezkoušenígeometrických dat os anastavení radiusvektorůMaximální statickádeformace přijmenovitém zatíţení vtěţišti efektoruMaximální přesnostpolohy a dráhy přijmenovitém zatíţení vtěţišti robotuMaximální podíl třenína řídicím momentuvztaţeném k oseMechanickáfrekvence (při objetírohu) - rezonanceNa osy vztaţenástatická tuhost tělesakloubu a prvkůpřenášejících síluStřední velikostrozptylu polohy adráhy, střednípřevrácené rozpětíElektrický výkon ařídící moment pohonua sílu přenášejícíchprvkůVlastní frekvence,tlumení a amplitudycelé konstrukce ajednotlivýchkomponentGeometrické přizpůsobení robotu k manipulační úloze(úlohám) - pokud je moţnéNávrat k otázce 1129

Prostředky návrhu průmyslových robotůPřezkoušeníkinematických dat os,seřízení os a/nebointerpolačních metodPřezkoušení hnacíchprvků vyvaţovacíhosystémuOdstupňování řídicíhomomentu podlemaximálníhoefektivního momentua maximálníhořídicího momentuŢivotnost uloţení osRychlost a zrychlenívztaţené k osámVhodné metody proprovoz v reţimu PTPa CPPřizpůsobení pohonů robotu k manipulačním úlohám(je-li moţné)Návrat k otázce 4Tab. 4.2.1.-6 Postup a pravidla k zajištění optimálního provozu robotu z hlediska některých základníchcharakteristikA konečně řešíme uţivatelské poţadavky:Kritérium Popis Formulace řešení ÚčinekPřiblíţení k aplikaci Optimální přizpůsobení k Provedení expertních Účelné náklady.úkoludotazů, analýzapracovního místa asystému.Výkonnost.Jednoduchá obsluha.Spolehlivost a bezpečnostVhodnost k obsluze aúdrţběPříznivá bilance energieBezpečnější provoz bezrušivých vlivů prodefinované zatíţení robotuZjednodušení údrţby aobsluhyMinimalizace spotřebyenergie pro daný úkolTab. 4.2.1.- 7 Uţivatelské poţadavky na konstrukci robotůPřizpůsobenízadanému úkolu.Hardwarové asoftwarové zásahy kesníţení přetíţení.Analýza slabých míst.Přípravadiagnostickýchfunkcí.Dostupnostelektrorozvodů, prvkůpřevodů a pohonů.Jednoduché seřízení.Kvalitnídokumentace.Volba vhodnýchkinematickýchřetězců.Volba optimálníchpřevodových poměrů.Lehké konstrukce.Vyšetření optimálníchpohybovýchtrajektorií.Vyšší pohotovost.Zvýšeníobsluhy.bezpečnostiVyšší pohotovost asníţení nákladů naúdrţbu.Jednoduchá montáţ uvýrobce.Pokles spotřebyenergie u uţivatele.Pokles nákladů napohony a výkonovéprvky.Ke stanovení specifických poţadavků je nezbytná analýza trhu. Cílený průzkum trhu az toho odvozený profil poţadavků pro robototechnický systém má velký význam a častorozhoduje o úspěchu výzkumu a vývoje.130

Prostředky návrhu průmyslových robotů4.2.3. Předběţné výpočtyV rámci předběţného návrhu je třeba kombinovat nástroje počítačové podpory spředběţnými výpočty a odhady ke zpřesnění výchozí představy o parametrech zvolenékoncepce PR (kinematického schématu a důleţitých uzlů či agregátů). Patří sem předevšímodhady kinematických parametrů a potřebného výkonu motorů i volba optimálníhopřevodového poměru. Dále jde o odhady silových poměrů, přesností a tuhostí jednotlivýchpohybových jednotek. Vyuţíváme přitom dřívějších zkušeností z výsledků a ověřovánívlastních konstrukcí i z analýzy konkurenčních výrobků. Postup vyuţívající kombinacemetody typových součinitelů a parametrického konstruování je naznačen podrobněji.Předběţný návrh motorů pohybových jednotekPo odhadu základních rozměrů kinematického schématu PR a rozsahu pohybu a předzahájením návrhu průřezů a tvarů těles pohybových jednotek je nezbytné stanovit předběţněpotřebné výkony motorů a zvolit konkrétní výrobce a typorozměry.Motory, resp. pohony tvoří významnou zátěţ účinkem svých hmot. Přitom ovšemjejich určení probíhá v době kdy nemáme dostatek údajů pro jejich návrh – není známorozloţení a velikost hmot těles a jiných prvků pohybových jednotek.Vstupní hodnoty pro návrhV obr. 4.2.3.-1 jsou naznačeny vstupní parametry, z nichţ vycházíme na odhadydalších hodnot předběţného návrhu. V daném případě pro PR, polohující v souřadnicovémsférickém systému, vyplynou ze zadání, resp. z poţadavkového listu:m - nosnost PR [kg]r - max. poloměr [m], S - max. přemístění objektu manipulace (OM) [rad, m]1,21,2 ,v – nominální rychlosti přemístění OM [s-1 , m s -1 ]Výkon motoru pro rotační pohybovou jednotkulze zjistit (odborně odhadnout) ze vztahu:PrMnMd- účinnost převodů mezi motorem a akčním členemMn- moment nevyváţených hmot, včetně OM vzhledem k ose rotaceMd - dynamický moment při rozběhu,MdI- lze vyjádřit rovněţ jen za cenu určitýchzjednodušeníRychlostní profil předpokládáme lichoběţníkový ( konstantní zrychlení i zpomalení)délka rozběhu rk1délka doběhu bk1podobně pro přímočarý pohybSrSbk1S131

Prostředky návrhu průmyslových robotůvyjadřujeme je podílem z celkové dráhynebo SObr. 4.2.3.-1 Příklad zadání parametrů PR pro výpočet motorů rotačníchpohybových jednotekHodnotu k1 určíme z úvahy, ţe pro zadané (resp.v) jako rychlost přemístění OMbude doba přemístění kratší (tj. rychlost provedení funkce větší) bude-li k1 menší, aledůsledkem budou větší dynamická zatíţení na mechanismech pohonů a menší ţivotnostkonstrukčních prvků, problémy s řízením (při kmitání) a případně i prodlouţení dobypřemístění OM (je-li nutné čekat na dokmitání). Jde o optimalizační úlohu.Uvaţujme normativní dynamické zatíţení při zrychleních a [ms-1] na úrovnikonkurenčních robotů stejné třídy a jako výpočtové připusťme 1,5 a.Pro lineární pohon s běţně dosahovanými hodnotami zdvihu (výsuvu) rameneS 1 m1a rychlosti v 1 ms je pak moţno dráhu při rozběhu odhadnout.1 2vSratrpři trje2aSr2 2 2a v v 12 a 2 a 2 5pak lze odhadnout k1Pro rotační pohybrS rS0,10,11mvezmeme-li jako příklad a = 5 [m s -1 ]0,1 a vyuţívat pro předběţný výpočet.2 2 22trzčehož dále plyne2 2 2 2kr1kdyžtrčímţ dostanemevyjádřeno z parametrů zadání!Pro odhad momentu setrvačnosti hmot pohybové jednotky132

Prostředky návrhu průmyslových robotůI I I k Ir M 2 r2IrmOMr rmoment setrvačnosti z hmoty OM na max. !IM- moment setrvačnosti hmot rotujících částí manipulátoru při max. rk2- koeficient provedení konstrukce, získán na základě analýzy PRpodobného typujako příklad budiţ k21,8 2,3pak2 22d 2 r 22kOM12k1M I k I k m rMoment z nevyváţeníMnk3 mOMg r cosa k3zjistíme opět z dříve provedených konstrukcík3mMOMng rvyjadřuje závislost celkového nevyváţeného momentu na nosnosti manipulátoru(rozloţení hmot, podobnost konstrukčního řešení)M MP k m g r cos k m rn dr 3 OM 2 OMrmOMk2rk3g cos2 k12platí pro odhad výkonu při rotaci pohybové jednotky kolem horizontální osy.22 kPři rotaci kolem vertikály (osa z) nepůsobí na pohon nevývaţek12MnPr zm r k m r 2 m r102 k2 0.12 3 2 3 2 3OM 2 OM OM1Výkon motoru pro lineární pohybovou jednotkuPlFdFnvSetrvačné účinky při rozběhu a zpomaleníFdk4mOMa kdeopět k 4 zahrnuje vliv pohyblivých prvků ramenek4mm4OMz jiţ provedených a analyzovaných konstrukcí PR133

kde m 4 je hmotnost všech pohyblivých prvků včetně OMProstředky návrhu průmyslových robotůZ obdobné úvahy (vzhledem k analogii pouţitých vztahů s rotačním pohybem) lzenajít pro lineární zrychlení a Fda2v2 k S1F k m a kd4 OM 4mOM1v22 k SNejvětší výkon je potřebný pro max. naklopení pohybové jednotky (PJ), přičemţv obecné poloze platí pro osovou sloţku přitěţující motorF m g sin k m g sinn4 4OMVýsledný potřebný výkon propohyblineárníPlk4mOM12k1S2gsinObr. 4.2.3.-2 Poměry na lineární pohybové jednotcePro pohony členů pouze v horizontální rovině ( pro cylindrický a kartézský s.s.)jepakPl x(6.10)0 ; sin 0 ; k1 0,1; k42,010mOMS3pro pohony vertikálního pohybuPl z2 2k4 mOM10v mOMvg2 0,2 S2 S1Volba optimálního převodového poměruPři pouţití vysokootáčkových motorů je nezbytný převod mezi motorem a akčnímčlenem PR.Jestliţe převládají v pohonu zatíţení z nevyváţení hmot lze pouţít pro moment nahřídeli motoru vztah (převod dopomala i > 1)134

Prostředky návrhu průmyslových robotůMiMMMMiMnnJestliţe však převládají dynamická zatíţení je moţné řešení sloţitější. S rostoucím iklesá moment setrvačnosti přepočítaný na hřídel motoru ( z hmot akčního členu) v poměru i 2a tím se zmenšuje rovněţ potřebná doba rozběhu nanomnebo zpomalování na 0 ( jemenší zátěţ motoru). Současně, ale při větším i klesá rychlost ustáleného pohybunomiMPři zmenšování i rostenutné hledat i optnom, ale doba zpomalování i rozběhu se zvětšuje; proto je, aby doba přemístění objektu byla minimální z obou hledisek.K řešení je nutné znát vztah pro celkovou dobu přemístění OM v závislosti na i.Pro rotační pohyb PJ v rozsahuje celková doba tt t t tr u dtrtdturPaku2u2Obr. 4.2.3.-3 diagram průběhu rychlostí pohybové jednotkyv jednom cyklu135

Prostředky návrhu průmyslových robotůt 2t t 2a projeru2u uu2uu r uu u u utuupo dosazení výše uvedených vztahůtMiMIdjestliţe jeM M iaddMiM2I IMi Izje celkový čas pro vykonání rotačního pohybu PJtMMiM i M iI i I i2IMi Iz i2dM M2dM MztI i I M i2 2 3M z M dMMdMMi2kdeIM- moment setrvačnosti motoru včetně redukovaného momentupřevodovkyIzM- moment setrvačnosti zátěţe (hmot PJ)- úhlová rychlost motoruMdM- dynamická sloţka momentu na hřídeli motoruHledáme minimum funkce t , tedydtdi136!0

Prostředky návrhu průmyslových robotůPakiopt322 MI zMdMvztah je správný pouze pro lichoběţníkový průběh , který je charakteristický propohony, u nichţ moment setrvačnosti zátěţe převyšuje moment setrvačnosti motoru, proto jenutné kontrolovatIz redzda 1, pokud je menší neţ 1Ivolíme iMiIIzMProtoţe u provozu PR jsou běţné měnící se cykly pohybů členů R nelze ioptpočítatz jediné konkrétní hodnoty , ale ze střední aritmetické hodnoty všech pootočení PJ,vytvářejících cyklus (případně podle modelu určitého typového cyklu charakteristického prodanou technologii)iopt32nk 1n2Mk 1kMI zdMkIzk- moment setrvačnosti I z pro k –tý pohybk- velikost k –tého pootočenín - počet pootočeníJe zřejmé, ţe i koncepce kinematické struktury a typ PR mají vliv na i - např.koncepce pro bodové svařování, či zakládání polotovarů do obráběcích strojů, vyţadují různévelikosti pohybů , , , , ar d u u .Řešení optimálního převodového poměru pro lineární PJÚloha vede k volbě rychlosti přemístění členu a pro ověření platnostilichoběţníkového průběhu rychlostí je opět nezbytná podmínkaIzredIMPak doba pohybutli I m S i M2 2 3M z M dMMdMMi2kdeiMv137

Prostředky návrhu průmyslových robotůaiopt2 2M Mmz3vS MdMnebo lépe vyjádříme přímo optimální rychlost PJvopt3SMdM2mzMz i opt , resp.v opt lze odvodit parametry převodového mechanismu – ød ozubeného kolapro ozubený hřeben, nebo stoupání kuličkového šroubu. Souhrn postupu - Algoritmusvýpočtu energetických parametrů pohonu:1. Orientační výpočet výkonu motoru podle údajů (poţadavkový list) technického zadání.2. Výběr motorů (variantně) podle katalogů s různými MM,M.3. Výpočet i optpro kaţdý motor.4. Výběr motoru s nejkratší dobou potřebnou pro daný model cyklu pohybů, při conejkompaktnější konstrukci.4.2.4. Návrh a výpočty modulárních průmyslových robotůJiţ v úvodu tohoto studijního materiálu a pak ještě vícekrát v jednotlivých kapitoláchjsme se zmínili, ţe pro úspěšnost nových řešení jsou potřebné nejen metody a prostředky,které nabízíme v jednotlivých kapitolách, ale i schopnost tvůrčích pracovníků vytvářet nazákladě zkušeností své vlastní know how, tedy postup jak modifikovat teorii a zkušenosti dodatabází faktů i postupů které vedou rychle a efektivně k úspěšnému řešení sloţitéhotechnického problému. Níţe uvedený postup ukazuje jednu z moţností tvorby know how –přenosu získaných zkušeností na vývoj modulárních robotů.Při navrhování nových robotů osvědčených typů (podle charakteristické kinematickéstruktury) je podmínkou konkurenceschopné řešení. K tomu je nezbytné provádět srovnání snejlepšími konkurenčními produkty stejné třídy, a to jiţ ve fázi předběţného návrhujednotlivých polohovacích jednotek. Konstrukční řešení lze zpravidla popsat několikavybranými parametry, od nichţ se odvozují další. Pokud správně tyto parametry zvolíme aaplikujeme na jednotlivá provedení polohovacích jednotek, můţeme vytvořit jejich (postupnědoplňovanou) databázi. Lze si představit, ţe takto vytvořené know how bude vyuţitelné khodnocení ex post i ex ante.Konstrukční parametry robotů volíme na základě kritéria omezení deformací a takéchyb různého druhu, které v konkrétní konstrukci nesmí přesáhnout určitou hodnotu. Prvnínávrh konstrukčního řešení ještě nedává dosti podkladů pro výpočet hodnot deformací apřesto musíme i v tomto raném stadiu návrhu rozhodovat, aspoň na základě odhaduočekávaných parametrů. Takový odhad lze provést pomocí zmíněné databáze parametrůsrovnatelných konstrukcí (dříve analyzovaných). Databáze tak zachycuje současnou světovouúroveň konstrukcí a můţe být doplňována také aplikací optimalizačních metod v rámci CADsystémů, na vlastní konstrukce.Níţe uvedené postupy jsou výhodné zejména pro roboty modulární koncepce, jejichţjednotlivé moduly jsou konstrukčně i funkčně samostatné. Ale i mnohé univerzální robotymohou těchto postupů do značné míry vyuţít.138

Prostředky návrhu průmyslových robotůObr. 4.2.4.- 1 Modulární roboty, vlevo angulární, vpravo sférickýModulární konstrukce jsou výhodné zejména pro moţnost velmi dobréhopřizpůsobení zvolené koncepce i konstrukce robotu a také všech subsystémů k zadané úloze.Mimo to jsou tyto roboty méně nákladné, jak pořizovací cenou (přizpůsobení úkolu) takv provozu. Jednotlivé moduly mohou totiţ být vyráběny v podstatně vyšších sériích neţuniverzální roboty. To současně umoţňuje jejich vyšší kvalitu.Počet firem, které je vyrábí i početvyráběných typů stále roste a jde zřejmě osetrvalý trend. V obr. 4.2.4.- 1,2,3 jsou uvedenyjednak 3 provedení modulárních robotů velmiprogresivní konstrukce, jednak prvky, z nichţ setyto (a další) struktury dají vytvořit. Zapovšimnutí stojí, ţe aţ dosud jen velmi málovýrobců umoţňovalo skladbou vyráběnýchmodulů dosáhnout jiných struktur neţkartézských nebo cylindrických. V tomto případějsou uvedeny hned 2 angulární struktury a 1cylindrická.Databáze modulárních robotůObr. 4.2.4.- 2 Modulární robot angulárníVezmeme-li v úvahu, ţe počet nejčastějivyráběných a v praxi vyuţívaných typů PR se pohybuje do desítky, nabízí se vyuţít pro návrhpostupů, které vyuţívají zkušeností získaných při konstrukci robotů aktuálně dosaţenéúrovně, zapracovaných do pravidelně aktualizované databáze připravené v PC. Jak vyplýváz příkladů modulů v obr. 4.2.4.- 2,3 (za mnohé další) je jejich provedení rozmanité, nicméněpočet typů není příliš velký. Databázi typorozměrů v úvahu přicházejících prvků lze (obr.4.2.4.- 2 a 3) vypracovat v ICAD (Pro/ENGINEER) jako modely, pomocí nástroje FamilyTable a Layout (celá řada modulů se odvíjí od výchozího, při dodrţení konstrukčního záměru,daného závislostí dílčích parametrů na výchozích). Modely mohou řešit i variabilitu pouţitých139

Prostředky návrhu průmyslových robotůtransformačních bloků, vloţených do jednotlivých modulů a v případě změn automatickypřepočítávat změny hmotnostních parametrů a těţišť.Obr. 4.2.4.- 3 Prvky modulárních robotů na obr. 4.2.4. – 1,2Další moţností, kterou poskytují ICAD systémy je optimalizace rozloţení hmotv modulu pomocí Behavior Modeleru, v případě nezbytných úprav při přechoduk progresivnějším konstrukcím. Optimalizovat lze i celou strukturu PR sloţenou z modulů,přičemţ máme díky vlastnostem ICAD systémů i moţnost zcela opačnou – totiţ začít zcela„prázdným prvkem“, který je tvořen jen interfejsy modulu a jeho osou, případně délkovýmirozměry a přitom mu potřebné parametry předepsat a animací a simulací testovat příslušnévlastnosti. Následně pak provádíme konstrukční zásahy do modelu modulu tak, abychompodle okolností zvolené parametry prázdného prvku dodrţeli (vyhovuje-li při testování), nebonaopak změnili.Obr. 4.2.4.- 5 Schéma hlavních parametrů lineární pohybové jednotkyRelace v ICAD systémech140V obr. 4.2.4. - 5je naznačen schématickýprincip závislostí mezirozměry , vycházejícíz rozměrů určujících –rozteče mezi osamivodicích tyčí a jejichdélky a průměru(provedenív Pro/ENGINEERu).Moţnost vyuţití relacípro vyjádření různýchzávislostí v modelupohybové jednotky semůţe promítnout domnoha dalších, aleodůvodněných rozměrů.Relace jsou uţivatelsky definované rovnice mezi symbolickými kótami a parametry.Vytváří vztahy uvnitř prvků, součástí i mezi celými komponentami tak, ţe umoţňují řídit vlivzměn na model. Relace poskytují nástroj, jakým lze zachytit cíl návrhu. Řídí modely podobnějako parametry – změna relace má za následek změnu modelu. Relace lze pouţít ke kontrolezměn prováděných na modelech, k definici hodnot kót v součástech a sestavách a jakopodmínky kladené na konstrukci. Existují dva typy relací – rovnice, kdy parametru na levé

Prostředky návrhu průmyslových robotůstraně je přiřazena hodnota výrazu na pravé straně a srovnání, kdy se porovnává výraz na levéstraně s výrazem na pravé straně. V relacích lze pouţívat systémové parametry jako jsouhmotnostní charakteristiky součásti, materiálové parametry jako modul pruţnosti, hustotu, mezepevnosti, tvrdost aj. Je moţné také zavést uţivatelské parametry – např. ceny.Základní předpoklady, výpočty apostupyPři předběţném návrhumanipulátoru jde o dva okruhyproblémů (nezabýváme se zde volboukoncepce kinematického řetězce, alejejím ověřením v předběţné etapěnávrhu) – o návrh (kvalifikovanýodhad) parametrů jednotlivých uzlů,v návaznosti na dané poţadavky ajejich co nejrychlejší ověření aujasnění potřebných konstrukčníchzásahů v dalším kroku.Potřebné výpočty v koncepčnínávrhové etapě jsou zaměřeny nastanovení (odhady) sil, přesnosti atuhosti uzlů, prvků a celéhomanipulátoru.Vstupní parametryUvaţujeme zatíţení přinominálním reţimu – tíhové neboObr. 4.2.4.- 4 Prvky modulárních robotůsetrvačné účinky. Vycházímevětšinou z doby cyklu T pro činnostipohybových jednotek a celého robotu a z daného rozsahu pohybu jednotlivých PJ – rotačnícha translačních (φ, S).Obr. 4.2.4.- 5 Lineární průběh rychlostí pohybové jednotkyZ aproximace průběhurychlostí pohybových jednotekfunkcí v = f(t), resp. = f (t)(obr. 4.2.4.- 5) plyne odhadrychlostí a zrychlení (v nebo , anebo ). Pro dráhu S referenčníhobodu výstupního členu PJ lzepsátS v 0,5tt 0, 5turub.141

Prostředky návrhu průmyslových robotůZavedeme – li relace, zjištěné analýzou špičkových srovnatelných konstrukcítrtbkr; kbtrkrT; tbkbT; tuT trtbT Tkterézahrnují nejen úroveň konstrukčního řešení, ale i vlivy pouţitých motorů, řídicího systému aj.,lze vyjádřitSvvvuuuuTv T 10,5kTr0,5kTr0,5kTr0,5kTTrtrk Tr0,5kbbtb0,5kTk Tb0,5kTb0,5kTba dále jiţ získat odhad maximální rychlosti cykluvuvmaxs 1T 1 0,5k 0,5ka obdobně odhad maximálního zrychleníabamaxvtubST2r1kb1b10,5 krkbZ těchto údajů vychází silový výpočet v nominálním pracovním reţimu manipulátoru.Předběţná analýza silových účinkůV etapě předběţného návrhu bereme v úvahu očekávanou nejnepříznivější a moţnou(a statisticky pravděpodobnou) konfiguraci zvoleného kinematického řetězce v pracovnímprostoru. Zavedeme lokální souřadné systémy PJ s rovnoběţnými osami (obr. 4.2.4. 6), mezikterými probíhá transformace souřadnic a silových účinků při postupu výpočtu od uţitečnézátěţe objektem manipulace a pokračuje přes efektor a pohybové jednotky PJ1 aţ PJnk bázovému souřadnému systému PR.Transformace a stanovení silových účinků na výstupu z konkrétní PJ vychází zeznámých účinků na vstupu a ze setrvačných účinků prvků daného modulu, které rozdělíme napohyblivé v soustavě modulu (index p) a nepohyblivé v této soustavě (index n) a které působív těţištích těchto skupin prvkůF n F p2,2V tomto maticovém zápisun n p pF3 B23 F2 B23 F2 B23 F2transformací jednotkou PJ 2 jsou zajímavé (pro výpočty manipulátoru) maticetransformací B23 , Bn23 , Bp23 , které jsou vyuţitelné i pro výpočty přesnosti a tuhosti PJ icelé konstrukce.142

Prostředky návrhu průmyslových robotůKaţdá z těchto matic vyjadřuje relace mezi mezi 6 sloţkami silových a momentovýchúčinkůObr. 4.2.4.- 6 Struktura kinematického řetězce konkrétního robotuna vstupu do systému a obdobně zavedenými sloţkami na výstupu ze systému.Uvedená matice se vztahuje na transformaci vektoru F2 na F3.Zcela obecně pro n stupňů volnosti a pro síly na výstupu z n-tého stupně lze psátB23b b b b b bxx xy xz x x xb b b b b byx yy yz y y yb b b b b bzx zy zz z z zb b b b b bx y zb b b b b bx y zb b b b b bx y zn n p pFnBn1 , nFn1Bn1, nFn1Bn1, nFn1a chceme-li ověřit setrvačné účinky z hmot objektu manipulace a efektoru do všechpohybových jednotek (první údaj, který je ze zadání k dispozici) pak platí143

Prostředky návrhu průmyslových robotůF B F n 0n0 kde jeBnB0n n 1, nn 1Obr. 4.2.4.- 6 Struktura a silové poměry na pohybové jednotceVýpočet (odhad) přesnosti zvolené kinematické strukturyStejným postupem a se stejnými daty můţeme provést předběţný odhad přesnostipouţitého kinematického řetězce manipulátoru realizovaného PJ (obr. 4.2.4.- 6). Máme-lik dispozici údaje o vektoru chyb (nepřesnosti ) na výstupu z kaţdé PJ (v 6 sloţkách, podobnějako u sil a momentů), zjistíme vektor chyb na efektoru s vyuţitím transformačních matic,které získáme inverzí matic pro silový výpočet. U transformace sil totiţ postupujeme odefektoru k bázovému systému, kdeţto při odhadu chyb na efektoru vycházíme od bázovéhosystému a postupujeme k efektoru.Pak platí, ţe zjištěná sloupcová matice sloţek chyb na efektoru z chyb všech npohybových jednotek 0 je0nA0n n0nn144

Prostředky návrhu průmyslových robotůA0nbbbbbbxxxyxzxxxbbbbbbyxyyyzyyybbbbbbzxzyzzzzzbbbbbbxyzbbbbbbxyzbbbbbbxyzkde 0 n je sloupcová matice sloţek chyb polohy efektoru (měřená na efektoru)vyvolaných chybou n-tého modulu an je sloupcová matice sloţek chyb na výstupu z n-tého modulu a konečněA0n je transformační matice pro přenos chyb n-té PJ na jimi vyvolané chyby efektoru,přičemţ z porovnání prvků matice výše odvozené v silovém výpočtu B0n a matice A0nTplatí A0 nB0n.Zcela obdobný postup a stejné prvky matice lze uţít pro předběţné výpočtykonstrukční tuhosti manipulátoru. Dále lze všechny tyto výpočty obdobně dovést aţ doúrovně pohybových jednotek a dopracovat transformační matice mezi konstrukčními prvkykaţdé pohybové jednotky a souřadným systémem zavedeným na výstupu z této jednotky.Jestliţe parametry ověřené výpočtem nevyhovují je moţné rychle a jednodušeprovádět zásahy do konstrukce a identifikovat vlivy pro tyto zásahy. Rovněţ je moţné vyuţítzkušeností z jiţ navrţených vlastních konstrukcí nebo z analýzy konkurenčních výrobkůk zásahům do konstrukce a k její optimalizaci jiţ v těchto raných fázích vývoje.Vzhledem k tomu, ţe počet typů robotů (z hlediska pouţitého kinematického řetězce)je dosti omezený, není problémem si výše uvedené transformační matice pro výpočtypřipravit předem a pro určitou aplikační úlohu navrhnout několik variant řešení, s rúznýmikinematickými strukturami.Rozloţení chyb mezi moduly – přímá úlohaChybu n-tého modulu PJ lze vyjádřit pomocí sloupcové matice, obsahující prvky,z nichţ 3 jsou vyjádřením chyb měřených v osách souřadného systému a moţnýmpootočením okolo těchto osTn x n, ,n,,nx, y,z,, ,- označení prvků maticeCelková chyba na efektoru je opět popsána maticí s prvky stejného druhu jako majímoduly0x0, ,0,,0tj. kaţdá sloţka celkové chyby efektoru je nějakou funkcí chyb modulů (jejich prvků)0x1, ,1, x1,x n, ,n(6.42)Jde o malé hodnoty chyby tudíţ funkci lze linearizovat0nxnxnynynnnnn145

Prostředky návrhu průmyslových robotůn - převod chyby modulu (sloţky chyby) na sloţku chyby hlavice 0 nn(6.44)nb bnrrnnbnrozepsáním pro 6 sloţek celkové chyby efektoru dostanemebbx x b x b y b ... bykdemoduluLze tedy psát000nn00nnnnbxxnxnxnyx bnnnbx... b0 n je sloţka chyby polohování hlavice v - tém směru vyvolaná chybami n-téhonnnbxn0NA0n n0nnA0nb b b bbbbn n n nxx yx x xnxynxnx... ... .........bn...bnJestliţeje matice převodů chyb n-tého modulu na jimi vyvolané chyby polohování efektoru.0 n - sloţka chyby polohy hlavice vyvolaná chybou n-tého moduluTA0a platí0 nB nkdyţB 0 n - matice převodů zatíţení efektoru 0modulu (ze silového výpočtu).na jím vyvolané zatíţení F nB 0 n známe z předchozího silového výpočtu a stanovíme stanovíme n , lzen-téhovypočítat0 a vyuţít pro optimalizaci konstrukce za podmínky, ţe zjištěná chyba je menší neţpoţadovaná.00Jedná se zde o přímou úlohu ověřování přesnosti. Tento postup postačí při návrhu strukturymodulárního robotu na základě jiţ vyráběných modulů.146

Prostředky návrhu průmyslových robotůRozloţení chyb mezi moduly – inverzní úlohaJe třeba provést volbu přípustných chyb konkrétních modulů n , zabezpečujících zadanoupřesnost polohování hlavice 0 .Při návrhu modulárního PR je třeba splnit podmínku výše uvedenou podmínku00Inverzní úlohou je vybrat přípustné chyby modulů n zabezpečující zadanou přesnostpolohování hlavice 0Úlohu je třeba řešit po etapách:Nejdříve se přípustná chyba efektoru dělí mezi moduly0n0nkde0 n je sloţka přípustné chyby polohování efektoru vyvolaná chybami n-tého moduluÚloha je nejednoznačná, řešení dostaneme podle toho jaká kriteria zvýhodníme; vpočátečních etapách návrhu je však nedostatek údajů.Sloţky chyby efektoru vyvolané n-tým modulem proto hledáme (vybíráme) podle tzv.typových vztahů (a typ. hodnot z databáze) pro daný typ PRK0 n 0nkde jeK 0 n matice koeficientů0kn0 n0které jsou dány poměrem sloţky přípustné chyby polohování hlavice PR vyvolané chybami n-tého modulu (sloţkami chyby n-tého modulu) k celkové přípustné chybě (sloţce chyby)polohování PRx, y,z,,,Pro toto rozdělování chyby zřejmě musí platitnnkn1 např. kxn 1, kyn1 atd.např.takţe pro řešený typ PR (viz obr. 59 se 4 moduly)147

Prostředky návrhu průmyslových robotůxxxx0 10 20 30 4kxkxkxkx1234xxxx0000nx0nkx1kx2kx3kx4 1x0K0n(6.53)kx00000n0ky0000n00kz000nk00000nk00000nk00000nTakto získané sloţky0 n na efektoru jsou však podle dřívějšího odvození vyvolánypřípustnými chybami pouze n-tého modulux00nnbbxxxxxnnbbyxyynynbbxnnbxbVzhledem k nejednoznačnosti řešení by vedl přechod od nerovnic k rovnicím k nesmyslnýmvýsledkům. Proto k získání racionálních výsledků pronje nutné uţít typových vztahůmezi jednotlivými sloţkami chyb modulu:xynnnkkkxynnnPro stanovení sloţek přípustné chybypro0 n a pro kaţdou z 6 ti nerovností vyjádříme nnn0 n dosadíme typové vztahy do systému nerovnostínbnxkx b0 nnkbnk148

Prostředky návrhu průmyslových robotůZ 6 ti získaných hodnot n prodox, y, z, , ,vybereme nejmenší a dosadímex nk xnminčímţ je úloha splněna.Výhodou postupu je uţití stejných transformačních vztahů pro silovou i chybovouanalýzu dané struktury a jak bylo uvedeno výše, pro malý počet v praxi se vyskytujícíchtypových (tj. nečastěji opakovaných) struktur lze tyto transformační vztahy připravit jakoprogramovou databázi, ve které se pak pracuje s konkrétními hodnotami.Analýza silových účinků a přesnosti jednotlivých modulůZcela principielně stejného postupu jako v předchozích kapitolách lze uţít pro typovékonstrukce modulů, tedy uţití stejných transformačních matic pro přenos silových účinkůz prvků vedení a uloţení, uchycení motoru a z dalších částí konstrukce, i pro přenos chybrůzného druhu, a to včetně zahrnutí vlivů poddajnosti těchto prvků. Pro velký rozsahdemonstrace tohoto postupu je zpracována jen souhrnná tabulka (kap. 3.5.5.) s přehledemzákladních kroků pro posouzení jak celé struktury PR, tak i jednotlivých modulů, s uvedenímpotřebného obsahu databáze k těmto úkolům. Vypracovaná databáze je velmi cennousoučástí know how firmy. Vlastní realizace databáze je moţná na bázi různých SW systémů.Volba konstrukčních parametrů podle kritéria omezení deformacíPoř. Činnost Databáze1.Celková koncepce M:formování poţadavků, výběr celkové koncepce, druhua rozmístění pohonů, ŘS, rychlostí a zrychleníKoncepce M, druhy pohonůŘS, zákonů pohybua2.Rozdělení poţadavků přesnosti (přípustné chyby namoduly)k0 n 0n0Matice koeficientůk0n3.4.Návrh efektoruVýpočet zatíţení modulu v nominálním reţimu a zproměnné sloţky hmotnosti OMn n p pF B F B N B Nn n 1, n n 1 n 1, n n 1 n 1, n n 1Zatíţení na vstupu do n-tého modulu z účinků149Schémata a parametry, převodovézávislostiTvary maticB n-1,n

5.FnB0nN0setrvačných sil n pouze z hlavice a objektu manipulaceB B0n n 1, nn 1Volba poţadavků přesnosti na modulnb kxx0 n.... b kProstředky návrhu průmyslových robotůVztahy - relacek , x6.Volba koncepce kinematického schématu modulu avzdáleností mezi podporamiNns, NbSchémata modulů a poměryNnsNb;S S7.8.9.Předběţný odhad zatíţení v podporách a pohonuQn Bi Fn a Qn Bi FnRozdělení chyb I modulu I podle jejich druhun k n ;nIIBVolba rozměrů nosné konstrukce modulu podle kriteriavibračních deformací :- určení přípustných amplitud vibrací0hTk3IIe n- rozdělení přípustných deformací na prvky modulunkn 0;pvkpv 0- stanovení rozměrů nosné konstrukce1 T *B4 iBi FnD1BB FT *p 4 i p i nDpVolba rozměrů nosné konstrukce z podmínky omezenínestability statických deformací:Tvar maticBiMatice koeficientůI IIk , k , .... ,BBMatice koeficientůk , kpkoeficienty a rozměrye epnk ,3, ,D DvpvMatice koeficientůk III , kIIIp10.11.12.- rozdělení přípustných deformací na prvky moduluIII III III IIIk n ; ;0 puk n - stanovení rozměrů nosných konstrukcí1 T *B4 iBi FnD1B B FT *p 4 i p i nDpVolba typorozměrů nosných konstrukcíStanovení přípustných chyb podpor a pohonu*nb1 b2 b5 k6b61TyporozměryPoměry k613.Volba typorozměru pohonu:- stanovení síly na pohonuQ Bi Fn Bi N BiFTyporozměrypohonů150

Prostředky návrhu průmyslových robotů14.- volba typorozměru pohonuOdhad rozměrů, hmotností, těţišť a momentůsetrvačnosti, konstrukce pohonuOpakovat pro všechny moduly15.Komplexní kontrolnívýpočty R, volba parametrů odpovídajících prvků ŘS a pohonuShrnutí kapitolyV této kapitole jste se seznámili s následujícími pojmy:Poţadavky a kritéria pro konstrukci servisních robotůPostupy pro volbu koncepcíPředběţné funkční výpočty průmyslových robotůModulární roboty a maticové metody výpočtuNávrh průmyslových robotů vychází ze standardní sestavy poţadavků a kritérií, které vstupujído volby variant moţných koncepcí doporučenými postupy. Rovněţ funkční výpočty jsoupostaveny na poţadovaných parametrech. Specifické metody lze výhodně vyuţít promodulární roboty a to na bázi maticového aparátu po stanovení odborného odhadu (výpočtu)sil a chyb v kinematickém řetězci manipulačního systému.Kontrolní otázka1) Uveďte základní poţadavky a kritéria pro návrh průmyslových robotů?2) Ze kterých parametrů vychází funkční výpočet servisních robotů?3) Jaké jsou principy maticového výpočtu sil a chyb modulárních robotů?4) Jak lze této metody uţít k vytvoření know how?Úkol k řešeníProveďte funkční výpočet konkrétní kinematické struktury robotu zvolené podle katalogusoučasně vyráběných robotů!151

Prostředky návrhu průmyslových robotů4.3. PROSTŘEDKY NÁVRHU PRŮMYSLOVÝCH ROBOTŮPo úspěšném a aktivním absolvování této KAPITOLYDiskutujte:• Základní přínosy teorie TRIZ pro návrh nových technickýchsystémů• Moduly analýzy TechOptimizeru• Moduly syntézy TechOptimizeruCíle kapitolyTRIZ, TechOptimizer, analýza produktu, analýza procesu, trimování,trimovací koeficient, moduly syntézy, efekty, prognózy, principy, manažerproblémů.Klíčová slovaČas ke studiu: 3 hodinyVÝKLADZ prostředků studovaných v předmětu Metodika konstruování v oboru vyuţijeme pronávrh robotu systém počítačové podpory tvůrčí práce vybudovaný na filozofii funkční ahodnotové analýzy a teorií označovaných jako TRIZ, ARIZ.Tento nástroj byl navrţen jako počítačová podpora tvůrčích inovačních procesů amůţe být pouţíván pro stanovení a řešení problémů v mnoha různých oblastech výzkumu,vývoje, výroby aj. Systematicky směruje řešitele úkolu na jednotlivé kroky jeho analýzy, aţk definici a následně k eliminaci z hlediska úkolu podstatných problémů a k syntéze moţnýchřešení. Souhrnně lze tento proces označit jako optimalizační, přičemţ objektivita a úspěšnostje zaloţena na expertní formě aplikace této metody. Velkou výhodou je, ţe můţe být vyuţitave kterékoli fázi ţivota technického objektu. V souvislostech pojednávaných v této publikacijde o ranné fáze návrhu, kdy údajů o předmětu řešení je velmi málo, často jde o odbornéodhady, údaje ze srovnání s obdobnými díly, či situacemi apod.V zásadě pokrývá TechOptimizer (dále jen TO) dvě oblasti optimalizací:Na základě provedené analýzy výchozí struktury objektu umoţňuje postupoznačený Trimming vytvoření jednodušší a účelnější (optimální) strukturyobjektu.Definováním prvků objektu a jejich funkcí, vyhodnocováním interakcí mezi prvkysystému a navrhováním způsobů ke zvýšení hodnoty systému TO tyto interakceoptimalizuje.152

Prostředky návrhu průmyslových robotů4.3.1. Struktura systémuStruktura TO je tvořena 7 moduly – 2 analytickými, 4 syntetickými a 1 podpůrným(komunikačním a informačním):Analýza produktu - podporuje analýzu interakcí a funkcí mezi prvky technickéhosystému.Analýza procesu - podporuje analýzu posloupnosti technologických operací.Efekty – modul podporuje syntézu řešení problému na základě databáze známýchjevů (efektů) – např. vyuţití kavitace, absorpce, mechanického kmitání aj.Prognózy – modul podporuje syntézu řešení problému na základě databázevývojových tendencí promítnutých do standardních řešeních v praxi opakovaněpouţívaných.Principy – modul podporuje syntézu řešení problému na základě databáze několikadesítek principů extrahovaných z patentovaných řešení a opakovaně se v technicképraxi vyskytujících. Systémy se skládají z prvků, které se navzájem ovlivňují adávají systému různé vlastnosti. Zpravidla jestliţe nějakou vlastnost potřebujemezlepšit jiná se zhorší. Databáze principů ukazuje jak byly v technické praxi řešenyobdobné problémy.Transfer prvků – modul podporuje syntézu vyuţitím osvědčených prvků avlastností jiných systémů.Oba analytické moduly zahrnují hodnotovou analýzu, nákladovou analýzu a funkčníanalýzu prvků.Efekty, Principy a Prognózy jsou inteligentní řešitelské nástroje. Jsou-li správněpouţívány, výsledky mohou vést k patentovatelným řešením. Mohou být pouţity k řešeníproblémů prakticky v kterékoliv oblasti techniky.Při vyuţívání Efektů, Principů a Prognóz popisuje uţivatel problém v inţenýrskémsystému a modeluje interakce mezi objekty nebo poţadované funkce. Software zahrnujedoporučované invenční principy, standardní postupy a fyzikální, chemické a geometrickéefekty (viz blíţe kap. 3.5).Modul Transfer prvků (nebo také charakteristik) umoţňuje uţivateli analyzovat řaduobjektů, nebo částí objektů, které uskutečňují stejnou funkci. Uţivatel definuje kritéria,charakteristiky objektu a jejich důleţitost. Tento modul stanovuje nejvýhodnější objekty adoporučuje které charakteristiky nejvýhodnějších objektů by měly být zdokonaleny a jak.TechOptimizer identifikuje ty oblasti v objektu, které jsou vhodné pro zdokonalenívýrobku nebo procesu. Tyto oblasti jsou zachyceny ve zprávě, kterou můţe uţivatelvygenerovat kdykoliv během práce s TO. Zpráva zahrnuje popis všech kroků učiněnýchběhem analýzy. Analýza struktury, stejně jako detailní popis vazeb jsou rovněţ obsaţeny vezprávě.Nejuţitečnější informace ve zprávě:Seznam odhalených problémů.TO generuje seznam problémů, které by měly být řešeny pro zdokonalení objektu aprocesu a uspořádává tyto problémy podle jejich naléhavosti. Uţivatel se můţe rychle153

Prostředky návrhu průmyslových robotůzorientovat, protoţe získává informaci, jak vzroste efektivnost objektu, bude-li vyřešen tenkterý problém.Seznam uţivatelem vygenerovaných námětůNáměty navrţené uţivatelem tvoří jednu z poloţek zprávy. Obsahuje i nové strategie křešení technických rozporů.Změny struktury objektuNová, optimálnější struktura objektu je rovněţ ve zprávě uvedena.Doplňková vědecká informaceV modulu Efekty se nachází rozsáhlá databáze jevů a příkladů jejich uplatnění, včetněvýpočtových vzorců, klíčových slov a odkazů, coţ usnadňuje soustředění potřebnýchinformací k dosaţení cíle.Technologické trendyUmoţňují uţivateli konfrontovat svůj objekt zdokonalování s tendencemi rozvojetechniky a to za účelem formulování prognózy dalšího rozvoje objektu.Přenos charakteristik (Feature Transfer)Obsahuje řadu doporučení, jak zlepšit charakteristiky zdokonalovaného objektu.StatistikyTO generuje statistiky, které poskytují objektivní informace o výsledcích práce s TO.4.3.2. AnalýzyAnalýza produktuAnalýza produktu umoţňuje rozdělit technický systém na části, které se analyzují azdokonalují. Sestavuje se model funkcí, za účelem vizualizace identifikovaného technickéhosystému, který obsahuje tzv. produkt, prvky a nadsystémy a model interakcí mezi prvkytechnického systému.Analýza produktu probíhá ve čtyřech hlavních etapách. První tři etapy - data projektu,model funkcí a trimování - identifikují problémy, které je třeba řešit. Ve čtvrté etapě se hledáObr. 4.3.2. -1 Postup analýzy produktujejich řešení (obr. 4.3.2.-1).154

Prostředky návrhu průmyslových robotůPráce na projektu je zahájena shromaţd'ováním dat (obr. 4.3.2.-2). V první etapěanalýzy zakládá uţivatel počáteční informace o projektu, o produktu, který je analyzován,analyzované ţivotní fázi produktu a o týmu, pracujícím na projektu. Uţivatel definuje cíleanalýzy a jejich významnost i okolnosti omezující jakkoliv projekt. Hodnoty významnostipřidělené kObr. 4.3.2. -2 Vstupní data projektujednotlivým vytyčeným cílům projektu umoţňují správně uspořádat problémy apočítat jejich problémovou významnost.Obr. 4.3.2. -3 Vytvoření struktury produktuBěhem druhé etapy analýzy – tvorby modelu funkcí, popíše uţivatel strukturuproduktů.155

Prostředky návrhu průmyslových robotůModel funkcí technického systému sestavuje pomocí grafu, který specifikuje aanalyzuje interakce mezi komponenty dané struktury objektu (obr. 4.3.2.-4). Zakreslí sekomponenty, výrobek a nadsystémové prvky výrobku, a stanoví se škodlivá působení auţitečná působení mezi nimi.Obr. 4.3.2. -4 Hledání vazeb mezi prvky produktuAnalýza technického systému zahrnuje porozumění tomu, z jakých prvků se skládásystém a jak na sebe prvky navzájem působí. Funkční model v analýze produktu pomáháuţivateli rozhodnout kde jsou potíţe, jaké problémy by měly být řešeny a posoudit naléhavostproblému.Analýza produktu pouţívá tři druhy prvků a dvou druhů působení k popsání částítechnického systému.Prvky:komponenty - prvky objektu, který uţivatel analyzujenadsystémy - prvky systému, které uţivatel nemůţe změnit, modifikovat, neboomezitprodukt - konečný výsledek působení technického systému.Působení:uţitečná - působení, která vyhovují a/nebo zlepšují vlastnosti, či kapacitutechnického systémuškodlivá - působení, která zhoršují vlastnosti, či kapacitu technického systému.TechOptimizer analyzuje interakce mezi komponenty objektu prostřednictvím analýzyvazeb. Uţivatel můţe volit hloubku analýzy. Základní analýza pouţívá velmi jednoduchýpopis interakcí. Detailnější analýza vyţaduje popsání interakcí pomocí parametrůjednotlivých interakcí.156

Prostředky návrhu průmyslových robotůObr. 4.3.2. -5 Moţnost vyjádření funkčních závislostíTechOptimizer formuluje seznam problémů, analyzuje problémy, a uspořádává jepodle jejich naléhavosti. Při uspořádání problémů respektuje vytyčené cíle analýzy.Analýza vazeb je detailní analýza jednotlivých působení mezi prvky, nadsystémy,případně ve vztahu k produktu. Zahrnuje jméno vystihující působení, zda je uţitečná neboškodlivá, stupeň plnění, a parametrické závislosti.Obr. 4.3.2. -6 Nastavení váhy parametrů157

TechOptimizer podporuje dvě úrovně analýzy vazeb:Prostředky návrhu průmyslových robotůAnalýza působení je jednodušší analýza vazby, vyţaduje velmi málo informací propopis působení. Jednotlivá působení jsou definována jako uţitečná nebo škodlivá.Uţitečná působení jsou klasifikována podle stupně plnění funkce v rozmezí odnadbytečného aţ po nedostatečné plnění funkce.Analýza parametrů je rozšířená analýza vazby. Parametry důleţité v danémpůsobení jsou zde definovány a popisovány. Uţivatel můţe definovat hodnotu,časové, prostorové a parametrické závislosti jednotlivých parametrů. V případěuţitečného působení je porovnávána skutečná a poţadovaná hodnota parametrunebo závislosti. Pro škodlivé působení je porovnávána skutečná a ještě přijatelnáhodnota parametru nebo závislosti.Obr. 4.3.2. -7 Interakční maticeZ obr. 4.3.2.- 4 jsou zřejmé všechny moţnosti, které uţivatel analýzy můţe zahrnoutdo svého hodnocení kaţdé konkrétní vazby a působení, po přechodu z grafického vyjádřenído analytické části TO. Hodnocení působení můţe být kvalitativní, nebo kvantitativní.Rozhoduje stupeň našich znalostí a také potřeby uţivatele. Dá se předpokládat, ţe v počátcíchnávrhu budou naše znalosti o navrhovaném výrobku malé (jde-li o zcela nový výrobek),zatímco v případě inovace stávajícího výrobku jsme schopni uvádět i parametry jiţ velmipřesně. V případě kvalitativního hodnocení operujeme pojmy - nedostatečné, nebonadbytečné působení, případně aktuální, či poţadované působení. Jsme dokonce schopnigraficky zaznamenat časoprostorové závislosti jednotlivých parametrů (nebo naše představy onich - odhady), viz příklad v obr. 4.3.2.- 5.158

Prostředky návrhu průmyslových robotůNastavené parametry mají obecně různý význam (váhu) pro zadané cíle řešeníprojektu. Váha parametrů v relaci k cílům se nastavuje na další kartě (obr. 4.3.2.- 6). Zezadaných hodnot systém automaticky počítá průměrnou váhu. Všechny, v rámci projektu,dosud zavedené vazby a hodnoty jsou, po automaticky v systému provedených výpočtech,souhrnně uvedeny v prohlíţeči (obr. 4.3.2.- 7).Ten poskytuje šest rozdílných přístupů k informacím o řešeném projektu,prostřednictvím:Interakční matice - matice, která přehledně zobrazuje všechny prvky apůsobení v modelu funkcí.Tabulky funkcí - všech funkcí v systému.Seznamu prvků - všech systémových prvků. Seznam graficky znázorňujekaţdé působení na vybraný prvek nebo působené vybraným prvkem.Seznamu funkcí - všech systémových funkcí. Tento seznam grafickyznázorňuje prvky, které jsou spojeny s vybranou funkcí.Nákladů - tabulky nákladových poloţek na kaţdý systémový komponent.Poznámek - seznamu poznámek přidruţených ke kaţdému prvku a působení vsystému při provádění jednotlivých kroků analýzy.Obr. 4.3.2. -8 ProhlíţečJednotlivé tabulky prohlíţeče lze uţít k editaci dosud zadaných hodnot a vazeb, čipůsobení a poznámek. V posloupnosti projektu se nyní provádí hodnocení očekávanýchnákladů, coţ je moţné zaloţit na jejich absolutním nebo relativním odhadu (obr. 4.3.2.- 8).Po takto provedené analýze úvodní fáze řešení projektu máme k dispozici hodnocenínákladů na projekt, funkcí, včetně úrovně jejich plnění a problémů, které jsme odhalili.159

Prostředky návrhu průmyslových robotůTěchto hodnot lze uţít k posouzení dalších úkolů a pořadí jejich řešení pro dosaţeníoptimálního výsledku celého projektu.Hodnotová analýza vychází při hodnocení ze základní relace mezi vstupy a výstupyprojektu, přičemţ k maximalizaci této relace usilujeme o maximalizaci výstupů aminimalizaci vstupů. Za výstupy povaţujeme souhrn funkcí, kterými jsou uspokojoványpotřeby uţivatelů produktu a za vstupy náklady k dosaţení těchto funkcí.Obr. 4.3.2. -9 Stanovení trimovacího koeficientuVe skutečnosti nelze, zejména v úvodních etapách projektu, náklady dosti přesněodhadnout a navíc efektivita řešení je podmíněna i sloţitostí problémů, které se jiţv návrhových etapách ţivota produktu vyskytují (ale samozřejmě můţe jít i o problémy, kterékonstruktér tuší, např. při likvidaci produktu po jeho doţití, z hlediska ekologie). Z tohodůvodu TO vyuţívá ke komplexnímu hodnocení optimálnosti řešení projektu vztahT =fPF2Ckde160(0.1)F je úroveň funkčnosti objektu, jejíţ váha z hlediska inovace je zvýrazněnaumocněním 2,P je úroveň problémovostiC je úroveň nákladů spojených s produktem.Hodnota Tf se nazývá trimovací součinitel a z uvedeného plyne, ţe komponenty,které mají nízké hodnoty Tf působí v projektu obtíţe, které je nutno řešit. Nejjednodušeji

Prostředky návrhu průmyslových robotůodstraněním (trimováním) takového prvku nebo dílčími úpravami – zvýšením funkčnosti(přidáním funkcí, nebo lepším plněním funkcí), sníţením nákladů, sníţením problémovosti.TO automaticky provede vyčíslení jednotlivých hodnot Tf a seřadí komponentystruktury analyzovaného systému vzestupně podle jejich velikosti, takţe je okamţitě zřejmékam je nutno v rámci řešení projektu zaměřit pozornost (obr. 4.3.2.- 9).Je nutné si uvědomit, ţe objektivnost této metody je zaloţena na expertním přístupu ajejí individuální vyuţití vede ke zvýšení rizika vzniku významné odchylky skutečnéhovýsledku oproti odhadu. Značnou výhodou metody je moţnost sledování řady faktorů návrhua jejich provázanosti, coţ je v průběhu tvorby návrhů současnými metodami (zvláště vpočátečních etapách návrhu) značně obtíţné.Získané výsledky demonstrované v tabulce na obr. 4.3.2.- 9 jsou tedy prvnímvýstupem předchozí analýzy produktu. Výsledky samozřejmě nelze, vzhledem k charakterumetody, aplikovat bez dalších úvah. Převším je nutno posoudit shodu, či rozptyl výsledků,všech expertů a extrémní hodnoty dále analyzovat. Je také moţný příklon ke zdůvodněnémuhodnocení vybraného experta, nebo zprůměrování individuálních výsledků (obr. 4.3.2.- 8).Dalším krokem, neţ přistoupíme k trimování konkrétního prvku, je posouzeníjednotlivých hodnot vstupujících do trimovacího faktoru a moţnost úprav prvku, které by tytohodnoty výrazně ovlivnily ke zvýšení Tf .Obr. 4.3.2. -10 Vstupní údaje pro analýzu procesuZávěrem lze konstatovat, ţe princip tohoto přístupu je zkušenými konstruktéry více čiméně intuitivně pouţíván, při vyuţití TO je však velmi dobře formalizován a systematizován,takţe zjednodušuje, racionalizuje a vede tvůrčího pracovníka rychle a přesně základnímikroky analýzy jakéhokoliv produktu.161

Prostředky návrhu průmyslových robotůAnalýza procesuModul analýzy procesů TO umoţňuje uţivateli analyzovat výrobní, inţenýrské atechnické procesy z různých úhlů pohledu a v několika různých úrovních abstrakce. Uţivatelnejdříve zkoumá procesní komponenty, které jsou během procesu uskutečňovány, pakoperace, které jsou prováděny v kaţdé procesní komponentě a nakonec různé funkce, kterékaţdá jednotlivá operace uskutečňuje.Obr. 4.3.2. -11 Schéma procesuUţivatel sestavuje grafický model komponent, které jsou součástí danéhotechnologického procesu a grafický model uskutečňovaných funkcí. Opět se provede analýzavazeb a po hodnocení je moţné trimovat funkce. V analýze procesu můţe uţivatel takédefinovat cíle projektu a jejich relativní důleţitost (významnost), která mění hodnotytrimovacího faktoru a následně jednotlivá doporučení pro trimování. Systém je navíc schopennavrhovat trimovací varianty a hledat variantu optimální. Principy aplikace tohoto modulu aprůběh hodnocení jsou v zásadě totoţné s analýzou produktu, proto uvedeme jen na několikodlišností. Zaloţení projektu na analýzu procesu popisuje základní situaci a cíle projektu (obr.4.3.2. - 10).Po zaloţení projektu následuje zahájení analýzy procesu (analytické prvky jsou všakjiţ uplatněny při zadávání dat a posuzování významnosti jednotlivých cílů), která stejně jakou produktu má dvě formy - grafickou a tabulkovou, přičemţ se pracuje se stejnými daty.V průběhu analýzy operací, jako etapy analýzy procesu, se analyzuje pořadí a funkcekaţdého kroku nebo operace, které vytvářejí jednotlivé komponenty procesu. To vyţaduje162

Prostředky návrhu průmyslových robotůporozumění z jakých částí se proces skládá, jak tyto části působí na sebe navzájem a s okolím.Pak je moţné rozhodnout, které nedostatky jsou nejkritičtější, které problémy by měly býtřešeny a zjistit naléhavost těchto problémů. TechOptimizer podporuje tyto analýzy v průběhuvytváření modelu procesu.Obr. 4.3.2. -12 Operace procesuObecný postup pro analýzu operací v procesu začíná kreslením modelu strukturyoperací a jejich sledu. Kaţdý proces má hierarchickou strukturu: proces můţe být rozloţen do komponent, které jsou vytvářeny během procesu(obr. 21), komponenty mohou být dále rozloţeny do operací (obr. 22), operace jsou dále tvořeny funkcemi, přičemţ kaţdá funkce obsahuje tři části:působící prvek nebo nástroj,působení,prvek nebo výrobek, na který je působeno.163

Prostředky návrhu průmyslových robotůObjekt analyzujeme od vyšší úrovně hierarchické struktury a postupujeme níţe, je-li topotřebné. Po vytvoření grafického modelu procesu podrobněji analyzujeme jednotlivápůsobení prostřednictvím analýzy vazeb. TO podporuje podobně jako u analýzy produktu dvěúrovně analýzy vazeb.První úroveň, nazvaná analýza působení, vyţaduje jen velmi málo informací pro popisObr. 4.3.2. -13 Definice typu funkcepůsobení. Kaţdá funkce jedefinovaná ve shodě s jednímze čtyř typů a jen několikaslovy. Uţitečná působení jsoutříděna ve shodě s jejich úrovnífunkčního plnění: obyčejná,nadbytečná, nedostatečná.Mohou se vyskytnout takéškodlivá působení.Druhá úroveň je detailníanalýza vazeb, která uţivateliumoţňuje definovat plněnífunkcíprecizněji,prostřednictvím příslušnýchparametrů dané funkce.Analýza parametrů tedyobsahuje parametry působení.U kaţdého parametru můţeuţivatel zaznamenat jeho průběh v čase, závislost na prostoru, nebo na jiném pojmenovanémparametru. V případě uţitečného působení je potom porovnána skutečná a poţadovanáhodnota nebo závislost parametru. V případě škodlivého působení je porovnána skutečná apřijatelná hodnota nebo závislost parametru.Obr. 4.3.2. -14 Rozloţení operace na prvky164

Prostředky návrhu průmyslových robotůTO stanovuje stupeň nesouladu mezi skutečnou a poţadovanou hodnotou uţitečnéhoparametru nebo mezi skutečnou a přípustnou hodnotou škodlivého parametru. Popis, jak tytoneshody ovlivňují efektivitu procesu je definován uţivatelem. TO soustřed'uje tyto informace,přiřazuje je ke komponentům procesu, vytváří seznam problémů a stanovuje jejichnaléhavost. Obr. 4.3.2. - 12 ukazuje příklad komponenty „manipulace objektem při montáţi“,z procesu „manipulace ve stavebnictví“ a její strukturování do 4 operací. Ve spodní částiobrázku je připojena tabulka, ve které lze vyhodnotit význam kaţdé operace pro zvolené cíleprojektu.Obr. 4.3.2. -15 Suma problémů eliminovaných při analýze procesuEditaci všech kroků lze provádět podrobněji v prohlíţeči; na obr. 4.3.2. - 13 je dále typfunkce. Kaţdou funkci řadíme k určitému typu, ze 4 moţných – funkce vytvářející, přípravné,opravné a škodlivé. Kaţdá funkce je popsána prvkem, který působí (v obr. 4.3.2. - 13efektor), vlastním působením (uchopí) a prvkem na který je působeno. Z obr. 4.3.2. - 14 jezřejmé, ţe kaţdá operace sestává obecně z více funkcí; kromě typu funkce je zde uvedenataké úroveň plnění jednotlivých funkcí kvalitativně (nedostatečné – nadbytečné), nebo ikvantitativně vyjádřením velikosti příslušných parametrů. Parametry lze vyjádřit obdobnějako u produktů i grafickou závislostí, která se otevře klepnutím na symbol grafu, na konciřádku. Vlastní karta, ve které se zobrazí moţnosti vyjádření úrovně funkcí oběma způsoby jezobrazena v obr. 4.3.2. - 15. Tím je uzavřena sekvence kroků analýzy procesu a můţe býtprovedena potřebná editace, kteréhokoli kroku nebo parametru a následně i dílčí optimalizaceprocesu, buď pomocí trimování, nebo zlepšování či doplňování funkcí. V této chvíli je nutnéprovést vyhodnocení výsledků analýzy.165

Prostředky návrhu průmyslových robotůOba analytické nástroje – analýza produktu i analýza procesu jsou původně určeny provypracování správných zadání při inovacích, tedy pro analýzy, které musí předcházetrozhodnutí o formulaci co řešit – jaký problém a ostatní moduly TO slouţí k nápovědě jakk řešení dojít.Manaţer problémůVýsledkem analýzy produktu nebo procesu je vţdy souhrn problémů, které zůstalyk řešení v rámci návrhu, přičemţ tyto problémy jsou vyhodnoceny a seřazeny podle hodnotvýznamnosti. Manaţer problémů je nástroj, který napomáhá orientaci v seznamu problémů anapomáhá ve vyhledávání problémů k řešení.Z příkladu karty manaţera problémů (obr. 4.3.2. - 15) lze vyčíst, ţe je vyuţitelná jakpro analýzu produktu, tak pro analýzu procesu. Dále, ţe problémy je moţné třídit podlerůzných filtrů - podle typu problému orientovaných na:zvýšení kvalityzvýšení efektivityzjednodušeníuţivatelem jinak definovaný problém.Je moţné navrhovat různé varianty řešení problémů, resp. koncepcí jejich řešení;jejich počet není omezen.4.3.3. SyntézyVýstupem z analýzy produktu nebo procesu je informace, kterou sumarizuje a hodnotímanaţer problémů. Hledání řešení nejvýznamnějších problémů podle zvolené posloupnosti jezaloţeno (mimo vlastní intuice a zkušeností) na metodice TRIZ a ARIZ a nástrojích DesignScience. V rámci TO jde především o počítačovou podporu návrhu vycházející z TRIZ,ARIZ, která se realizuje ve 3 modulech, podporujících syntézu návrhu – Efekty, Prognózy,Principy.EfektyModul efektů obsahuje přes 4000 vědecko technických efektů (jevů) a demonstračníchpříkladů. Tento modul umoţní vybrat efekty na základě poţadované technické funkce. Efektyse nacházejí v příslušné databázi efektů, teorémů, zákonů a jevů. Efekty jsou jednou zalternativních cest k hledání řešení problémů.Efekty lze různým způsobem seskupovat respektive filtrovat a vyhledávat z různýchzdrojů. V obr. 4.3.2. – 16 je příklad karty s částí efektů řazených podle skupin. Většina efektůje doloţena demonstračními příklady.166

Prostředky návrhu průmyslových robotůOtevření konkrétního efektu poskytuje mnoho vysvětlujících údajů : popis efektu nebopříkladu, související efekty nebo příklady, výhody efektu nebo příkladu, formulaci problémua jeho řešení u příkladů, index efektu, definující parametry, které charakterizují daný efekt,omezení efektů a jejich parametrů, materiálové reference efektů, vzorce k efektům, podmínkypouţitelnosti efektů, reference a literatura k efektům a příkladům, on-line technickýhypertextový slovník (obr. 4.3.2. – 17). Mimo existující databáze efektů je dána moţnostjejího doplňování vlastními efekty.Prognózy167Modul prognózuvádí moţná řešenítechnického problému.Umoţňuje také zkoumatvývojové tendencesystémů. Tyto tendence sezakládají na standardníchpostupech, jakými setechnické systémy obvyklezdokonalují, kdyţ jevyţadována změna objektůnebo jejich přemistování.Modul pomáháuţivateli rozpoznat nové ainovační postupytransformací danéhotechnického problému jakoodezvu na pojmenováníexistujících nedostatků.Mezi postupy patří:zavádění nových látek,Obr. 4.3.2. -16 Skupiny efektůzavádění modifikovanýchlátek, mono-bi-poly:podobné objekty nebo různé objekty, segmentace látek a objektů, segmentace prostoru,segmentace povrchu, dynamizace, koordinace rytmu - slad'ování, koordinace působení -slad'ování, geometrický vývoj lineárních konstrukcí, trimming - svinování prvků.Jako prvky problému se vkládají ty prvky, mezi nimiţ je působení, které chcemezměnit. Na tomto místě jsou uvedeny objekty spojené s řešeným problémem. Lze zadat jedennebo dva objekty.Jestliţe vstoupíme na obrazovku Prognóz (obr. 4.3.2. – 18) přes Manaţer problémů,jsou objekty související s daným problémem a působení mezi nimi jiţ automaticky zapsány vpříslušných polích. Jestliţe pole ještě vyplněna nejsou, lze informace doplnit. Následněvolíme poloţku change. Zde je nabídka čtyř moţných změn působení - směru, intensity,struktury a času, které se dále podrobněji člení (obr. 4.3.2. – 19).Opět jsou jednotlivé volby doplněny různými příklady a aplikace poskytuje řadudalších moţností, se kterými se uţivatel seznámí prostřednictvím manuálu a lze vyuţít iliteratury [Devojno, Bušov 97], která problematiku dále rozvíjí.

Prostředky návrhu průmyslových robotůObr. 4.3.2. -17 Popis konkrétního efektuPrincipyProtoţe technický systém je zpravidla sloţitý, existuje mnoho relací mezi jeho částmi.Velmi často, jestliţe jednu vlastnost systému zdokonalíme, jiná se zhorší. Jestliţe nastávátaková situace, je pouţitelný modul principů (zahrnuje asi 40 principů). Principy mohoupomoci zmírnit nebo překonat rozpory mezi vlastnostmi a tím situaci řešit.Tyto principy vznikly analýzou, více neţ 2.5 miliónu patentů. Modul Principy nabízí39 typických technických charakteristik, parametrů. Dvojice rozporných charakteristik tvořímatici - tzv. Altšullerovu tabulku (obr. 30). První z dvojice rozporných parametrů nazývámeImproving Feature (zlepšovaný parametr) a druhou Worsening Feature (zhoršující separametr).Tabulka není symetrická. Jestliţe bychom dvojici parametrů přehodili v pořadí,(zhoršující jako první a zlepšovanou jako druhou) doporučované principy v tabulce nemusíbýt shodné s předchozím případem. Jakmile specifikujeme dvojici rozporných parametrů,které jsou obsaţeny v technickém problému, modul Principy doporučí ty principy, které jsouuţitečné pro eliminaci tohoto rozporu. Na příkladech připojených k jednotlivým principům sedemonstruje, jak byl příslušný princip konkrétně pouţit pro řešení téhoţ nebo velmipodobného rozporu v jiném technickém systému.Činnost v Principech začíná vyplněním polí:I want to - uvedením zlepšovaného parametruby - jak toho chceme dosáhnoutbut there is a problem - uvedením zhoršovaného parametru.168

Prostředky návrhu průmyslových robotůObr. 4.3.2. -18 Karta prognózJestliţe je modul Principy spuštěn z Manaţera problémů, mohou být některéinformace jiţ zapsány.V nabídce Improving feature volímeparametr (vlastnost, charakteristiku), která nejvíceodpovídá poţadovanému cíli. Ikona se šipkou ukaţdé poloţky znamená, ţe výčet charakteristik jeneměnný, pevný - obsahuje 40 charakteristik.Jestliţe není k dispozici přesně odpovídajícícharakteristika, hledáme charakteristiku nejbliţší codo významu poţadovanému cíli.V seznamu Worsening feature volímecharakteristiku, která nejlépe popisuje problém,totiţ, ţe se něco zhoršuje.Při volbě několika rozdílných poloţek vokně Improving feature, zjistíme, ţe počet poloţekzobrazených v okně Worsening feature se mění. Jeto dáno tím, ţe ne všechny páryImprowing/Worsening charakteristik majídoporučené principy. Ukazují se jen ty páry, kterémají alespoň jeden doporučený princip k řešenírozporu.Můţe se stát, ţe charakteristika v Improvingfeature se velmi dobře shoduje s definicí cíle(zlepšované charakteristiky) v problému, ale nelzeObr. 4.3.2. -19 Moţné změny působenínalézt vhodnou charakteristiku v okně Worseningfeature k zhoršující se charakteristice. V takovém případě klikneme na tlačítko šikmé šipkynad seznamem charakteristik. To způsobí, ţe nyní bude počet poloţek v okně Worsening169

Prostředky návrhu průmyslových robotůfeature pevný a naopak výpis v okně Improving feature bude proměnný. Způsobí to tedyinverzi matice. Sloupce se nyní stanou řádky, ze kterých vybíráme jako v pevném seznamu.Obr. 4.3.2. -20 Karta PrincipůJelikoţ je tabulka zlepšovaných/zhoršujících se charakteristik nesymetrická, v okně seobjeví nové moţnosti charakteristik a můţe se stát, ţe nalezneme vyhovující shodu sObr. 4.3.2. -21 Databáze příkladů řešení170

Prostředky návrhu průmyslových robotůvlastními charakteristikami. V tomto případě hledáme nejlépe odpovídající charakteristiku veWorsening Feature a pak v Improving feature.Databáze příkladů se pouţívá v zásadě stejně jako u principů (obr. 31 a 32).Obr. 4.3.2. -22 Databáze příkladů řešeníZákladní pojmy software TechOptimizeruDoplňková funkce je uţitečná funkce, která působí na prvek nadsystému. Napříkladláhev dţusu je systém, jehoţ hlavní funkcí je "drţet" dţus (v prostoru).Alternativní systém - termín pouţívaný v proceduře přenosu charakteristik(vlastností, význačností). Jako alternativní systém je označován jeden ze dvou navzájem sikonkurujících systémů, coţ jsou dva systémy s dvojicí komplementárních (navzájem sedoplňujících) předností a nedostatků.Altshullerova tabulka je dvoudimenzionální uspořádání řady nejefektivnějšíchprincipů, které mohou být pouţity k překonání typických technických rozporů.Pomocná funkce je uţitečná funkce působící na prvek technického systému.Nepůsobí na výrobek nebo nadsystémové prvky.Základní funkce je uţitečná funkce, která působí na výrobek.Konkurující systém je pojem pouţívaný v proceduře přenosu vlastností. Konkurujícísystémy jsou ty, které vytvářejí podobné funkce.Prvek, či komponent, je látka, pole nebo kombinace látky a pole, které jsou částí(subsystémem) technického systému.171

Prostředky návrhu průmyslových robotůHodnocení prvků - metoda uţívaná pro stanovení pořadí, ve kterém by měla býtuplatněna procedura svinování prvků. Je zaloţena na stanovené funkční, problémové anákladové významnosti prvků.Model prvků je seznam prvků daného systému a prvků jeho nadsystému.Komponentní model zahrnuje i výrobek. Komponentní modely mohou být vytvářeny narůzných hierarchickych úrovních.Opravná funkce je uţitečná funkce, jejíţ působení mění parametry neţádoucíchefektů.Efekt je výsledek, který můţe být vysvětlen vědeckými zákony fyziky, matematiky,chemie a biologie a jejich odpovídajícími technickými aplikacemi.Technický rozpor je situace, která existuje, kdyţ zlepšení nebo poţadovaná změnajedné charakteristiky vede ke zhoršení jiné charakteristiky.Technický problém je technická, či inţenýrská situace popisující problém na počátkuaplikace řešitelské metody.Technický systém je systém, skládající se z látek a/nebo polí, určený k uskutečňovánífunkcí.Funkce je působení mezi subjektem a objektem, kterým subjekt mění parametryobjektu.Analýza funkcí je analýza technického systému zaměřená na funkce systémovýchkomponent a nadsystémových prvků.Model funkcí - model technického systému, který popisuje funkce mezi komponentysystému a s prvky nadsystému.Řád funkce jednotlivé komponenty je relativní důleţitost prvku při (pro) dosahováníhlavní funkce technického systému.Typ funkce je charakteristika funkce, charakteristika, která reflektuje specifickézměny zaváděné do objektu plněním této funkce.Škodlivá funkce je funkce, která zhoršuje parametry objektu funkce.Ideální systém - systém, který neexistuje, ale poţadovaná funkce systému je přestodosaţena.Model struktury - model, který popisuje interakce (vazby) mezi komponenty uvnitř ivně technického systému, s prvky nadsystému.Stupeň plnění funkce - poměr mezi aktuální (skutečnou) a poţadovanou hodnotounějakého kritéria (např. Parametru) funkce. Jestliţe skutečná hodnota > poţadovaná hodnota,pak stupeň plnění funkce je nadbytečný. V opačném případě je nedostatečný. Kdyţ skutečnáhodnota = poţadované hodnotě, pak je stupeň plnění dané funkce adekvátní potřebě.Ţivotní etapa - některá část ţivotního cyklu technického systému. Ţivotními fázemijsou obvykle fáze výroby, dopravy, skladování, fungování (provozu), oprav, recyklace, atp.Analýza vazeb - speciální analýza jednotlivých funkcí zaměřená na pojmenovánífunkce, zda je uţitečná či škodlivá, na stanovení úrovně plnění a parametrických závislostí.Hlavní funkce - funkce, pro jejíţ plnění byl technický systém navrţen.172

Prostředky návrhu průmyslových robotůMěřicí funkce - uţitečná funkce, jejíţ plnění se projevuje ve shromaţd'ováníinformací o parametrech objektu, sepsaných v daném technologickém procesu.Objekt - jeden z prvků zahrnutý do definice funkce. Subjekt funkce působí na objekt amodifikuje jeho parametry.Struktura objektu - je sloţena z komponentů objektu, výrobku, nadsystémovýchprvků a škodlivých a uţitečných funkcí působících mezi nimi.Principy - jsou nejefektivnější postupy řešení typických technických rozporůdefinovaných Altšullerovou tabulkou.Problémová významnost prvku - relativní index, který popisuje mnoţství adůleţitost problémů spojených s prvkem.Produkt - je objekt působení hlavní funkce technického systému.Vytvářející funkce - uţitečná funkce, jejíţ uskutečňování se projevuje v působenínevratných změn na parametrech objektu funkcePřípravná (zajišťující) funkce - uţitečná funkce, jejíţ uskutečňování způsobujevratné změny parametrů objektu (s výjimkou změn samotného objektu) uvedených v danémtechnologickém procesu.Ţádaná hodnota parametru - taková hodnota parametru, která zajišt'uje poţadované(optimální) plnění dané funkce.Nadsystém - systém, který obsahuje technický systém jako jednu ze svýchkomponent.TRIZ (teorie inovačních zadání) - metodika zdokonalování technických systémů:Opírá se o tendence rozvoje technických systémů.Tendence rozvoje technických systémů - reprezentují určující tendencemodifikování a zdokonalování existujících technických systémů a vytváření novýchtechnických systémů, tendence lidského úsilí o dosaţení ideálního technického systému. Tytotendence byly odvozeny empiricky, historickou analýzou patentů a technologií.Trimming (svinování) - metoda zdokonalování technických systémů zaloţená naodstraňování prvků a přerozdělování jejich uţitečných funkcí. Výsledkem procesu svinováníje svinutý (nový) model technického systému a seznam problémů (zadání na svinutí), kterémusí být vyřešeny, za účelem dosaţení nového modelu.Podmínky svinování - jsou různé dostupné moţnosti přerozdělování uţitečnýchfunkcí jednotlivých prvků, které by měly být odstraněny, za účelem dosaţení cíle procesusvinování, tj. svinutí (omezení počtu prvků) technického systému.Faktor svinování - výpočet svinovacího faktoru se pouţívá ke stanovení komponentuna svinutí (odstranění). Je definován jako podíl FF/(P+C), kde F je třída funkcí (funkčnost), Pje problémovost, a C je cena (nákladovost). Kaţdý člen je normalizován. Komponenty svelkou funkčností a malou problémovostí a cenou, mají velký svinovací faktor (nedoporučujíse odstraňovat), komponenty s malou funkčností a velkou problémovostí a cenou, mají malýsvinovací faktor (doporučují se k odstranění)Uţitečná funkce - funkce, která uspokojuje poţadavky subjektu funkce.173

Prostředky návrhu průmyslových robotůShrnutí kapitolyV této kapitole jste se seznámili s následujícími pojmy:TRIZ – teorie řešení inovačních zadáníModuly analýzy produktů a procesůModuly syntézy – Efekty, Prognózy, PrincipyTrimování, trimovací koeficientKapitola slouţí k připomenutí základních principů pro návrh nových technických amechatronických systémů a jejich inovace. Nedříve analýzou zjistíme co a proč potřebujemeinovovat a nebo řešit. Následně pouţijeme moduly syntézy k řešení vyskytnuvších seproblémů.Kontrolní otázka1) Jaký je význam trimovacího koeficientu?2) Jak konkrétně stanovíte trimovací koeficient??3) Co je manaţer problémů?4) Na čem je postavena analýza produktu?5) Na čem je postaven modul Efekty?6) Co je Altšulerova matice?Úkol k řešeníSestavte strukturu objektu zvoleného servisního robotu s prvky, nadsystémy a objektem ivyznačením funkcí a jejich úrovně!174

5. NAVRHOVÁNÍ ROBOTŮ A MANIPULÁTORŮNavrhování robotů a manipulátorůPo úspěšném a aktivním absolvování tohoto BLOKUBudete umět odlišit:• Software Techoptimizer od Goldfire InnovatorAplikovat:• Analýzu kořenového problémuCílepřednáškovéhoblokuTechOptimizer, Goldfire Innovator,workflow, researcher, úkoly, průzkumtrhu, produktů a technologií, databáze, kořenový problém.Klíčová slovaČas ke studiu: 3 hodiny175

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystému5.1. MODERNÍ POSTUPY – GOLDFIRE INNOVATORPo úspěšném a aktivním absolvování této KAPITOLYBudete umět aplikovat:Workflow Design New SystémWorkflow Improve Existing SystemCíle kapitolyWorkflow, design, new systém, improve, existing systém, GFI, popisprojektu, hledání znalostí,Klíčová slovaČas ke studiu: 90 minutVÝKLADVývoj Invention Machine vedl k jeho stále sofistikovanější struktuře a rozšiřování onové moduly, coţ poskytuje uţivatelům nové moţnosti a benefity. Práce se systémem (majílibýt vyuţity všechny jeho moţnosti) je však podstatně náročnější oproti TechOptimizeruverze 3.0. Z tohoto důvodu jsou následující kapitoly věnovány novým pojmům ve srovnánís TO 3.0 v minulé kapitole a následně i srovnání v postupů při inovaci stávajícího systému inávrhu nového systému.Navíc, protoţe v GFI existuje manuál a Help pouze v anglickém jazyce, coţvyvolává u většiny studujících potíţe, jsou přeloţeny nejčastěji pouţívané anglické pojmydo češtiny. Dále jsou také upřesněny některé změny v postupech oproti TO.5.1.1. Principy GFIGoldfire Innovator je sofistikovaný inovační software, který pomáhá uţivatelům(inţenýrům, vývojářům a vědcům) výrazně zvýšit produktivitu technické tvůrčí práce ajejich schopnost řešit problémy z různých oblastí vědy a techniky. Jedná se o silný nástroj,podporující realizaci různých druhů inovací a vývoj systémů nové generace. GoldfireInnovator stimuluje u uţivatele nápady a myšlenky, které poté napomáhá transformovat dopodoby konkrétního komerčního řešení. Tento program účelně kombinuje ověřenoumetodiku tvorby a řešení inovačních zadání – TRIZ s vysoce propracovaným způsobemvyhledávání informací pomocí technologie IMC’s Natural Language (technologiepřirozeného jazyka). Zjednodušeně řečeno Goldfire Innovator systematicky vede uţivatele kzískání odpovědí na 3 základní otázky tvůrčí činnosti, kterými jsou CO, PROČ a JAK řešit(zlepšit) s cílem dosáhnout inovace stávajícího nebo vývoje nového technického systému.Při činnostech spojených s tvůrčí činností jsou cílem úsilí vynálezce (konstruktéra)stavy technického systému v budoucnosti, přitom jejich znalost je nezbytná pro rozhodovánív současnosti. Z tohoto plyne základní rozpor při technické tvůrčí práci. Goldfire Innovatorsniţuje informační neurčitost a výrazně se tím podílí na eliminaci základního technickéhorozporu.176

Význam a přínosy Goldfire InnovatoruAplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuTento nástroj byl navrţen za účelem pomoci uţivatelům vyvíjet a ověřovat levnější,spolehlivější a kvalitnější řešení v následujících oblastech:vývoj nových výrobků,zlepšování stávajících produktů a výrobních procesů,identifikace poruch a jejich předcházení,strategický výzkum výrobků a výrobních technologií,eliminování styku s překáţkami na trhu,pomoc při ochraně duševního vlastnictví.Hlavní přínosy spojené s vyuţitím Goldfire Innovatoru v inovačním procesu jsou:zvýšení efektivity a produktivity tvůrčí práce (díky systematičnosti, propracovanémetodice pro proniknutí k jádrům problémů, sémantickým vyhledávacím schopnostem apřístupu k interdisciplinárním vědomostem),rychlý přístup k interním a externím inovačním znalostem (prostřednictvím rozhraníumoţňujícího sémantické vyhledávání v osobních a firemních znalostních databázích aInvention Machine’s Innovation Intelligence)schopnost vytvářet a ověřit více koncepcí v kratším časesníţení doby pro uvedení nového výrobku na trhstimulování originálních nápadů a myšlenek vedoucích k zařízením nové generace.Obr. 5.1.1. – 1 Struktura řešení inovačních zadáni v GFI5.1.2. Moţnosti vyuţití GFI pro tvůrčí práci návrháře177

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuS odvoláním na poznatky získané v předmětu Metodika konstruování v oboru a skriptaKreativita a inovační myšlení, uveďme přehledně základní moţnosti vyuţití GFI.Goldfire Innovator disponuje 3 základními nástroji (funkcionalitami), které jsou kdispozici po jeho spuštění v Navigation bar (navigačním panelu) (obr. 5.1.2-1):I INNOVATOR WORKBENCH (Pracovní stůl Inovátoru)II RESEARCHER (Výzkumník)III INNOVATION TREND ANALYSIS (Analýza inovačního trendu)Obr. 5.1.2.-1 Hlavní okno GFINástroj Innovator Workbench (pracovní stůl Inovátoru) obsahuje čtyři předdefinovanéworkflow (průběh práce) a umoţňuje rovněţ tvorbu workflow uţivatelských. Workflow(průběh práce) představuje strukturovaný (uspořádaný) soubor úkolů, který důsledně vedeuţivatele analýzou problému a jeho řešením.Řešení konkrétních problémů lze provádět také mimo workflow a to prostřednictvímResearcher (výzkumníku), který vyuţívá dvou významných vlastností Goldfire Innovatoru.Těmito jsou pokročilá vyhledávací technologie IMC’s Natural Language (technologiepřirozeného jazyka) a s ní spojený přístup k obrovskému mnoţství interdisciplinárníchvědomostí a informací obsaţených v rozsáhlých aktualizovaných internetových databázích.Innovation Trend Analysis (analýza inovačního trendu) umoţňuje získat informace okonkurenci analyzováním patentovaných údajů a poskytuje firmě náhled do konkurenčníhoprostředí s cílem najít výhodné postavení pro vstup na nové trhy, nastavit a definovat nový(potenciální) směr vývoje a zlepšení výrobků.Project file (soubor projektu) můţe obsahovat několik Projects (projektů). KaţdýProject (projekt) můţe uţívat pouze 1 workflow. Podle typu vykonávané úlohy lze rozlišit 3základní typy projektů:178

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystému- projekt vytvořený při započetí Innovator Workbench workflow (průběhu prácepracovního stolu Inovátoru),- projekt vytvořený uloţením řešení prostřednictvím Researcher (výzkumníku) mimoworkflow,- projekt vytvořený uloţením výsledku Innovation Trend Analysis (analýzy inovačníhotrendu) mimo workflow.Klasifikace workflowWorkflow lze primárně rozdělit na predefined (předdefinované) a custom (uţivatelské)workflow.Predefined (předdefinovaná) workflow jsou dodávána s Goldfire Innovatorem apředstavují průvodce optimalizací technických systémů nebo výrobních procesů. Existujícelkem 4 předdefinované sekvence úkolů (workflow), které se dělí podle zaměření nadosaţení určitého cíle:A Improve Existing System (Zlepšení existujícího systému),B Design New System (Návrh nového systému),C Synthesize Hybrid System (Sestavení smíšeného systému),D FMEA - Failure Mode and Effects Analysis (Analýza poruch a jejich následků).Pro sestavení (nadefinování) vlastních sekvencí úkolů Goldfire Innovatoru můţeuţivatel vyuţít Custom (uţivatelské) workflow.Improve Existing System (Zlepšení existujícího systému) se pouţívá pro nalezení ařešení problémů spojených se stávajícím zařízením nebo procesem. Je moţné jej vyuţít jakpro přírůstkové zlepšení, tak i pro radikální přepracování systému fungujícího na jinémprincipu. Zahrnuje Root Cause Analysis (analýzu hlavních (kořenových) příčin), která jevolitelná, a buď Device Analysis (analýzu zařízení) nebo Process Analysis (analýzu procesu).Toto workflow umoţňuje vykonávat analýzu hlavních (kořenových) příčin problémů vtechnickém zařízení nebo procesu a provádí podrobnou klasifikaci systému. Klíčovétechnické problémy pro optimalizaci systému jsou identifikovány na základě vstupu zadanéhouţivatelem. Řešení těchto problémů jsou následně hledány a ověřovány prostřednictvímschopností integrovaného Researcher (výzkumníku). Navíc je moţno najít jednodušší a lepšíkonstrukci pomocí nástroje pro zjednodušení návrhu Simplify Design.Design New System (Návrh nového systému) se uţívá pro sestavení poţadavků nakoncepční návrhy nového zařízení. Obsahuje úlohu hledání znalostí Researcher KnowledgeSearch (vyhledávání znalostí), Root Cause Analysis (analýzu hlavních (kořenových) příčin) aDevice Analysis (analýzu zařízení). Toto workflow provádí uţivatele sérií úkolůnapomáhajících vytvořit koncepční návrh nového systému a bude dále podrobněji rozebráno.Synthesize Hybrid System (Sestavení smíšeného systému) pomáhá stanovit poţadavkykoncepčního návrhu hybridního systému a je zaloţen na srovnávání hlavních vlastností dvounebo více systémů. Uţivatel je proveden sérií úkolů srovnávajících dva nebo vícekonkurenčních systémů. Ve výsledku se pak kombinují jejich nejlepší vlastnosti dooptimalizovaného smíšeného (hybridního) systému. Tato analýza produkuje ověřenénávrhové poţadavky pro nové zařízení. Vyuţívá se schopností integrovaného Researcher179

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystému(výzkumníku) pro nalezení a ověření přístupů k realizaci těchto specifikovaných poţadavků(vlastností).FMEA - Failure Mode and Effects Analysis (Analýza poruch a jejich následků) jesystematická metoda identifikování poruch produktu nebo procesu a jejich následků, stejnějako předcházení jejich vzniku. FMEA se zaměřuje na zvýšení bezpečnosti a spolehlivostivýrobku a spokojenosti spotřebitele. Tato metoda je široce uţívána celou řadou společností.Jejím hlavním úkolem je sestavit FMEA tabulku, která se následně pouţívá pro:- Identifikaci potenciálních způsobů poruch zařízení nebo procesu- Formulování potenciálních následků a příčin poruch- Hodnocení a seřazení potenciálních poruch podle závaţnosti- Stanovení způsobů prevence závaţných poruch.5.1.3. Workflow Design New Systém (Návrh nového systému)Popis jednotlivých úkolů postupu (workflow)Design New System (Návrh nového systému) je workflow, které provádí uţivatele přessekvenci 4 úkolů za účelem dosaţení poţadovaného cíle - vytvoření poţadavků pro návrhnového systému.1. Project Description (Popis projektu)V tomto úvodním úkolu se zadává Project Name (jméno projektu), Autor (jménoautora) a volitelně Project Description (popis projektu – často se zde nastíní cíl projektu).Dále se zde zaškrtnutím Analyze Core Problem volí, ţe Root Cause Analysis (analýzakořenových příčin) bude v tomto projektu vykonána, a vybírají se předvolené znalostnídatabáze prohledávané během řešení problému v Solution Manager (manaţeru řešení).2. Knowledge Search (Hledání znalostí)Je zaloţeno na prohledávání sémanticky tříděných znalostních databází, které mohouobsahovat firemní a osobní databáze, sbírky patentů a IMC vědecké efekty, za účelemnalezení jiţ existujících řešení souvisejících s funkcemi vykonávanými navrhovanýmsystémem.3. Analyze and Solve Core Problems (Analyzovat a řešit jádro problémů)Tento úkol je volitelný a provádí se v něm Root Cause Analysis (analýza kořenovýchpříčin). Cílem můţe být podobně jako v Improve Existing System formulovat kořenový(počáteční) problém nějaké události nebo v případě tohoto workflow se můţe jednat oidentifikaci příčin hlavní funkce a tím o stimulování nových nápadů, jak danou účelovoufunkci nového systému zajistit. Root Cause Analysis je uţitečná v případě, ţe hledání znalostí(úkol 2) nepřinese řešení, jak efektivně vykonat danou funkci systému.4. Model and Improve System (Modelovat a vylepšit systém)180

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuV tomto úkolu uţivatel cíleně interpretuje výsledky vyhledávání a analýzy jiţexistujících řešení za účelem sestavení modelu funkcí nového systému. Goldfire Innovatorpak na základě vyhodnocení tohoto modelu automaticky generuje problémová tvrzení anásledně umoţňuje jejich řešení v Solution Manager. Tento úkol nabízí rovněţ moţnosteliminovat (vytrimovat) „slabé“ komponenty nebo působení z modelu návrhu. Funkcevykonávané odstraněnými komponentami nebo působeními jsou přeloţeny na jiné částisystému. Tento postup často vede k návrhu zařízení nové generace.5.1.4. Příklad aplikace workflowHledá se řešení nového technického systému - subsystému mobility servisního robotu,který se bude vyznačovat vysokou mobilitou v členitém terénu.Pro zahájení práce v Goldfire Innovatoru byl zaloţen nový project file (soubor projektu)s názvem DESIGN_NEW_SYSTEM.gfn (viz obr. 5.1.4.-1).Obr. 5.1.4.-1 Zaloţení projektu Návrh nového systémuStiskem tlačítka Innovator Workbench (pracovní stůl Inovátoru) se zobrazí 4předdefinovaná workflow a okno pro jejich volbu (viz obr. 5). V našem případě byl zvolenDesign New System. Na základě této volby se otevřelo úvodní okno Project Description (vizobr. 5.1.4.-2) tohoto workflow.Úkol 1 – PROJECT DESCRIPTION (Popis projektu)181

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuS ohledem na cíl řešeného projektu byl tento nazván Robot_Mobility_Subsystem. Vtomto kroku byl rovněţ zatrţen checkbox, který udává zahrnutí úkolu Analyze & Solve CoreProblem do tohoto workflow. Pro přechod k dalšímu úkolu (kroku) a pro návrat kpředcházejícímu úkolu (kroku) se pouţívají tlačítka v pravém spodním rohu aktuálního oknaGoldfire Innovatoru, které v podstatě představují volby Další a Zpět. Přepínání mezijednotlivými kroky workflow je moţné provádět také pomocí tlačítek v navigačním panelu nalevé straně okna (viz obr. 5.1.4.-4).Obr. 5.1.4.-2 Karta pro volbu workflow (postupu)Obr. 5.1.4.-3 Postup při návrhu nového systému (osnova)Úkol 2 – SEARCH IN KNOWLEDGE BASE (Hledání ve znalostní databázi)Dalším úkolem bylo vyhledat jiţ existující řešení hlavní (účelové) funkce řešenéhosystému – mobilního subsystému. V případě mobilního subsystému je hlavní funkcí zajistitmobilitu robotu. Pro zjištění, zda vůbec vybrané databáze (viz pole Search In na obr. 85.1.4.-5) informace týkající se této hlavní funkce obsahují, byl nejprve zadán Query (dotaz) robot182

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémumobility (mobilita robotu). Výsledky vyhledávání jsou zachyceny na obr. 5.1.4.-6 a obr.5.1.4.-7.Obr. 5.1.4.-4 Zadání vstupních údajů nového projektuObr. 5.1.4.-5 Karta zadání dotazu k vyhledání poznatků o novém produktu183

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuObr. 5.1.4.-6 Výsledky vyhledávání z databáze patentů pro dotaz “robot mobility”Obr. 5.1.4.-7 Další výsledky vyhledávání z databáze patentů pro dotaz “robot mobility”Vzhledem k tomu, ţe zásadní problém mobilního subsystému pro aplikace v členitémterénu představuje nízká úroveň mobility, byl původní výraz rozšířen na otázku How toincrease robot mobility? (Jak zvýšit mobilitu robotu?). Toto upřesnění dotazu vedlo k184

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuznačnému zredukování počtu výsledků především z databáze patentů (z původních 237 na 10nejdůleţitějších). Výsledky vyhledávání zobrazené na obr. 5.1.4.-7 a obr. 5.1.4.-8 přineslyněkolik zajímavých a podnětných řešení z patentové oblasti. Nejzajímavějším je patent soznačením US-2009/0314554 A1 ROBOTIC VEHICLE, který zahrnuje konstrukci podvozkus vysokým stupněm mobility dosaţeným zvýšením stability při překonávání překáţek.Obr. 5.1.4.-8 Ještě další výsledky vyhledávání z databáze patentů pro dotaz “How to increase robotmobility?”Dotazy lze samozřejmě pohodlně a efektivně modifikovat s moţností vyuţití GoldfireInnovatorem nabízených slov a tím je moţné získat spoustu dalších podnětných informací pronávrh nového systému. Příkladem je zadání otázky How to ensure robot mobility? (Jak zajistitmobilitu robotu?).- obr. 5.1.4.-9.V dalším kroku tohoto úkolu se zobrazí Solution Manager (správce řešení), který v poliProblems & Solutions (problémy a řešení) uvádí seznam zadaných dotazů a jejich uloţenýchřešení a umoţňuje další vyhledávání v poli Solutions (řešení) – obr. 5.1.4.-10.Úkol 3 – ANALYZE & SOLVE CORE PROBLEM (Analyzovat & řešit jádroproblému)Jedná se o úkol, který uţivatele systematicky provádí 3 následujícími kroky (viz obr.5.1.4.-11) a pomáhá identifikovat příčiny určité neţádoucí události.Úvodní krok Build Cause-Effect Model (sestavení modelu příčina – následek) pomáhásestavit model zachycující příčiny daného problému (neţádoucí události) (viz obr. 5.1.4.-12).Uţivatel sám z hlediska kvality schopnosti řešit příčiny určuje, do jaké úrovně příčin185

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystému(hloubky) bude vytvořený model zasahovat. Problémem (neţádoucí událostí) je v našempřípadě myšlena low robot mobility (nízká mobilita robotu), jehoţ dvěmi příčinami jsou lowcrossing ability (nízká schopnost překonávat překáţky) nebo low manoeuvrability (nízkámamévrovatelnost). Kaţdý z obou těchto problémů má své vlastní příčiny (příčinu) a tak dále(viz obr. 5.1.4.-12).Obr. 5.1.4.-9 Výsledky vyhledávání z databáze patentů pro dotaz “How to ensure robot mobility?”Obr. 5.1.4.-10 Karta správce řešení186

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuObr. 5.1.4.-11 Karta pro zaloţení modelu příčina - následekObr. 5.1.4.-12 Karta pro tvorbu modelu příčina - následekPro pomoc s definováním příčin můţe uţivatel vyuţít nástroj Cause Finder (vyhledávačpříčin), který buď nabízí příčinu ze znalostních databází přímo (viz obr. 5.1.4.-13) neboprovádí jejím formulování.Uţ samotný název kroku Identify Core Problems (identifikace kořenových problému)naznačuje, ţe se zabývá určováním hlavních (kořenových) problémů. Za kořenové problémy187

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémujsou povaţovány ty problémy (příčinné události), které v případě jejich vyřešení eliminujívznik původního problému (neţádoucí události) (viz obr. 5.1.4.-14).Obr. 5.1.4.-13 Karta databáze hledání příčinObr. 5.1.4.-14 Karta pro identifikaci kořenových příčin problémů188

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuPro uvedený příklad to znamená, ţe pokud budou vyřešeny ţlutě označené příčinnéudálosti (problémy) – small surface roughness (malá drsnost povrchu), unsuitable material(nevhodný materiál), poor stability against tilting (nízká stabilita proti překlopení), poormovability (nízká přestavitelnost) a unsuitable way of movement (nevhodný způsob pohybu)(viz obr. 5.1.4.-14) dojde k zabránění vzniku neţádoucí události – low robot mobility (nízkámobilita robotu).V posledním kroku tohoto úkolu Solve in Solution Manager (řešit ve správci řešení) jeuveden seznam vybraných kořenových problémů, pro které je rovněţ moţné v tomto kroku zapomoci propracovaného vyhledávání znalostí efektivně nalézt řešení (viz obr. 5.1.4.-15).Obr. 5.1.4.-15 Karta pro řešení kořenových problémůÚkol 4 – MODEL & IMPROVE SYSTEM (Modelovat a zlepšit systém)V tomto posledním úkolu je sestavován model funkcí nového systému, který obsahujejeho prvky a vzájemná působení mezi nimi. Na základě parametrů modelu jsou vyhodnocenyprvky a působení a automaticky generována tvrzení pro zvýšení hodnoty systému. Je moţnésestavovat model části systému zajištující řešení daného kořenového problému.Pro ukázku tvorby modelu byl zvolen kořenový problém poor stability against tilting(nízká stabilita proti překlopení). Po určení typu, pojmenování, popsání modelu a zvolení, zdabude vyuţit nástroj pro zjednodušení návrhu Simplify Design (viz obr. 5.1.4.-16) následujekrok Build Device Model (sestavení modelu zařízení) (viz obr. 5.1.4.-17). Model obsahujepouze prvky a působení týkající se eliminování nízké stability proti překlopení (viz obr.5.1.4.-17).189

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuObr. 5.1.4.-16 Karta pro výběr problému a zaloţení modelu produktu nebo postupu jeho diagnózyObr. 5.1.4.-17 Karta grafického editoru k vytvoření modelu pro stabilitu robotu190

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuZ modelu (viz obr. 5.1.4.-17) a správce řešení (viz obr. 5.1.4.-18) je patrné, ţenejdůleţitějším problémem je funkce locomotive mechanism tilts body (pohybové ústrojímobilního subsystému naklápí jeho tělo), která zapříčiňuje nízkou stabilitu robotu.Obr. 5.1.4.-18 Karta správce řešení problémů vygenerovaných podle nadefinování modelu zařízeníJedno z potenciálních řešení bylo nalezeno v jiţ zmíněném patentu US-2009/0314554A1 ROBOTIC VEHICLE, kde stabilitu robotu zajišťuje rameno se dvěma stupni volnosti(dvěma nezávisle poháněnými rotačními klouby). Tento hnací mechanismus přemísťuje anaklápí tělo (část hmoty) mobilního subsystému za účelem změny polohy jeho těţiště, prodosaţení stabilní konfigurace v průběhu překonávání překáţky (viz obr. 5.1.4.-19).Na základě tohoto patentu byl model doplněn o actuator mechanism (hnacímechanismus) pohybující body (tělem) pro zvýšení stability robotu při překonávání překáţek(viz obr. 5.1.4.-20, 21). Tento návrh je poté moţné hlouběji diagnostikovat a dále zlepšovatZávěrNa příkladu byly předvedeny moţnosti softwarového nástroje pro tvorbu a řešeníinovačních zadání Goldfire Innovator. Byly ukázány jednotlivé úkoly při návrhu novéhosystému (Design New System). Tato předdefinovaná sekvence úkolů byla demonstrována napříkladu návrhu mobilního subsystému servisního robotu s vysokým stupněm mobility.. Dořešení zde byl zapojen patent, jehoţ pouţití by však muselo být ověřeno a doloţeno případnousmlouvou o licenčních poplatcích. Další moţností by bylo tvůrčí rozvíjení principu a hledánívlastního řešení, k čemuţ je moţné vyuţít dalších postupů GFI.191

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuObr. 5.1.4.-19 Zajištění stability robotu podle patentu US-2009/0314554 A1 ROBOTIC VEHICLEObr. 5.1.4.-20 Karta grafického editoru s mechanismem pro zvýšení stability robotu192

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuObr. 5.1.4.-20 Karta správce řešení problémů pro upravený model zařízeníShrnutí kapitolyV této kapitole jste se seznámili s následujícími pojmy:GFI – Goldfire InnovatorWorkflow – pracovními postupy GFIHledáním jádra problémuZlepšení systémuHledání nového systémuKapitola slouţí k připomenutí základních principů pro návrh nových technických amechatronických systémů a jejich inovace s pomocí GFI. Nedříve analýzou zjistíme co a pročpotřebujeme inovovat a nebo řešit. Následně pouţijeme moduly syntézy k řešenívyskytnuvších se problémů. Praktický postup aplikace GFI je demonstrován na příkladu.Kontrolní otázka1) Jak získáte informace o podovných jiţ řešených problémech?2) Jak se formulují otázka pro zkoumání dosaţitelných informací?3) Co je to jádro problému?193

4) Co jsou pracovní postupy GFI?Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuÚkol k řešení1) Podle uvedeného příkladu řešení v této kapitole vyuţijte pro zlepšení (workflowImprove systém) zvoleného servisního robotu, pro jiné parametry nebo jinou variantuservisní činnosti!194

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystému5.2. APLIKACE POSTUPŮ A PROSTŘEDKŮ PRO NÁVRHAKČNÍHO SUBSYSTÉMU (AS)Po úspěšném a aktivním absolvování této KAPITOLYBudete umět pouţít a zdůvodnit:• základní postupy a prostředky pro návrh konstrukčních uzlůakčního subsystému robotu a jejich prvkůCíle kapitolyPřípravné kroky pro návrh, cíl, hlavní funkce zařízení, nosný subsystém, výpočtyprvků, nosník, rameno, zatížení, geometrie nosného profilu ramene, distribucepohonů, způsoby spojení nosného profilu se skříní kloubu,způsoby připojeníorientačního ústrojí, způsob připojení ramene do systému polohovacího ústrojí,způsob vedení energetických kabelů a komunikačních vodičů (případnětechnologických médií), způsob uložení koaxiálních dutých hřídelí.Klíčová slovaČas ke studiu: 90 minutVÝKLADVlastní průběh návrhu akčního subsystému průmyslových a servisních robotů ať jiţvyuţívající jakýchkoliv metod a prostředků v tomto studijním materiálu probíraných,vyţaduje vţdy přípravu údajů a dat a práci s nimi tak, aby mohl být zpracován poţadavkovýlist a uzavřena smlouva s odběrateli.Abychom mohli se vstupními daty smyslu plně pracovat promýšlíme tedy konkrétnípostup. Níţe rozebereme aspoň základní kroky sestavení modelu systému podle GFI.5.2.1. Přípravné kroky pro návrh ASJako od kaţdého technického systému očekáváme i od robotu plnění konkrétní účelové(hlavní) funkce, která však můţe být realizována jen přes řadu dílčích funkcí. Promýšlenítěchto funkcí a jejich logické návaznosti jsou tedy jedním z prvních úkolů. Vzniklá strukturaje pak realizována orgány, které naplńují fyzickou podstatu funkcí. Nejjednodušší variaciorgánů umoţňuje morfologická matice. Moţnou cestou je i návrh funkční a orgánovéstruktury přes TechOptimizer nebo GoldFire Innovator.K těmto činnostem je však nezbytné mít připravena výchozí data, coţ je otázkaznačných zkušeností, průzkumu trhu a jednání s odběrateli. Významnou roli hraje jiţněkolikrát zmíněná schopnost vývojářů vytvářet si vlastní systémy zpracování dat jakosoubory know how.195

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuSestavujeme-li předběţný model zařízení musíme pracovat s jeho základnímistavebními prvky:Cíl, který je objektem hlavní funkce zařízení. Cíl není komponentou zařízení. Existujevně zařízení, a reprezentuje hlavní důvod proč bylo zařízení navrţeno.Component (komponenta), který je součástí analyzovaného zařízení. Je moţnovytvořit model sloţitého zařízení jako hierarchii navzájem působících komponent.Například, jako nejvyšší úroveň, by se vymodelovalo zařízení v rámci high-levelkomponent. V případě auta, by takovéto high-level komponenty mohly být karoserie,hlavní konstrukce, motor, převodovka, kola a pneumatiky. Kaţdá z těchto komponentmůţe být reprezentována jako device model, potenciálně obsahující všechny prvkymodelu zařízení, včetně Target a Supersystem.Supersystem (supersystém), který je částí okolí zařízení, se nímţ je zařízení vestyku, ale není součástí zařízení samotného.Action link (akční vazba), specifikující akci, jeţ je jednou z částí modelu.Neţ se zahájí stavba modelu je třeba identifikovat Targets, Components a Supersystems.Target zařízení, je hlavním důvodem navrţení daného zařízení. Jako Target je uváděna hlavnífunkce zařízení. Target je elementem, který existuje mimo zařízení které se analyzuje. Targetje příjemcem, nebo předmětem, hlavní funkce systému.Identifikace main function zařízení pomůţe identifikovat Target. Main function zařízení, jeprimární činností, která byla navrţena za účelem dosaţení cíle. Například, co je hlavní funkcímedical ampule (lékařské ampule)? Ampule je naplněná a uzavřená za účelem, aby mohladoručit na trh obsaţený lék. Ampule není izolovaným objektem, který by musel být uzavřenýjen proto, aby byl zapečetěný. Hlavní funkcí ampule je tedy to contain medicíně (pojmoutlék). Předmětem této funkce je lék. Tedy, lék je Target (cílem) systému.Dalším příkladem by mohl být jiţ zmiňovaný větrák. Co je hlavní funkcí větráku ?Jelikoţ je větrák určen k pohybu vzduchu, jeho hlavní funkcí je tedy to move air (pohybvzduchu). To ţe se osoba při pouţití větráku můţe cítit chladněji je pouze “vedlejší výhodou“hlavní funkce, nikoli hlavní funkcí. Jsou jiné způsoby, jak ochladit osobu, a není nutné k tomupouţít pohyb vzduchu.Nebo: Co je hlavní funkcí klimatizace? Jednou hlavní funkcí klimatizace je to cool air(ochlazovat vzduch). Vzduch, který prochází zařízením je ochlazován na poţadovanouteplotu, tedy air (vzduch) je Target.Klimatizace také obvykle slouţí k čištění vzduchu a zachytávání prachových částic, coţ můţenavádět k závěru, ţe klimatizace také čistí vzduch. Jelikoţ čištění vzduchu je výsledkemzachycování prachových částic ve filtru uvnitř zařízení, druhá hlavní funkce můţe být tedyformulována jako trap dust (zachycování prachu), coţ činí dust druhým Target systému.Tipy, pro identifikaci Device components (komponent zařízení)196

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuKomponenty systému jsou elementy analyzovaného systému.Příkladem je rozdělení auta na komponenty: karoserie, hlavní konstrukce, motor, převodovka,kola a pneumatiky. Pro porovnání komponent auta s elementy cílů a elementy supersystémů,uvaţute následující:Cílem auta jsou cestující, jelikoţ hlavní funkcí auta je přepravit pasaţéry.Dva elementy supersystémů auta mohou být - cesta a vzduch.Kaţdá z komponent auta můţe být postupně modelována jako minizařízení. Kaţdé z těchtominizařízení můţe také obsahovat komponenty modelu. V GI jsou komponenty zařízení, kteréjsou reprezentovány modelem, nazývány model komponenty.Zařízení můţe mít aţ 10 hierarchických úrovní modelů komponent. Kaţdá z komponent můţeobsahovat elementy cílů a elementy supersystémů.Komponenta, který není reprezentována modelem, je nazývána jednoduchá komponenta.Výběr nejniţší komponenty zařízeníPodstatný úkol při modelování komponent systému spočívá v určení příslušné úrovnědistribuce (členění) systému. Například auto můţe být rozděleno pouze na karosérii a kola.Ale kaţdá z těchto komponent můţe být dále členěna, a kaţdá z rozčleněných komponentmůţe být opět rozdělena. Obvykle však nemá smysl pro sestavení správného modelu autorozdělovat aţ na úroveň atomů. Co je tedy nejniţší komponenta, která ještě dává smysl ?Obecně lze říci, ţe úroveň je definována nejniţší částí systému, ve které je uţivatel ještěochoten hledat řešení.Vezměme si extrémní případ, kdy je auto postaveno pouze z karosérie a kol. V okamţiku, kdypostoupíte ke kroku, ve kterém usilujete systém zjednodušit, naskytla by se moţnostzjednodušit pouze karosérii nebo kola (v GI jsme nespecifikovali, ţe jsou tyto komponentypostaveny z menších částí). Jako jedno z řešení by mohlo být pokusit se o přiřazení funkcekol na jinou komponentu systému, a vyřadit je tak z návrhu zařízení. Auto bez kol by bylozcela jistě vysoce pokrokové, ale jeho vývoj by mohl vyţadovat příliš mnoho prostředků, atím se stát z hlediska uplatnění na trhu nerealizovatelným. Z tohoto důvodu lze říci, ţezvýšením úrovně detailů při definování komponent zařízení, je moţno z GI získat doporučeníke zjednodušení k řešení, které je bude k realizaci vhodnější.Tipy, pro identifikaci supersystémů zařízeníSupersystém je částí okolí zařízení, se kterým zařízení je ve styku, ale není součástí zařízenísamotného. Elementy supersystému nemohou být eliminovány nebo zjednodušeny protoţejsou, podle definice, nad a za rozsahem systému.197

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuNásledující otázky a doporučení pomohou k rozhodnutí, zda element je supersystémem:Mohu tento element změnit ? Mohu kontrolovat stav tohoto elementu ? Pokud jeodpovědí ne, tento element je supersystémem.Mohu tento element odebrat z návrhu systému ? Pokud je odpovědí ne, tento elementje supersystémem.Elementy supersystému mohou souţit jako volné zdroje, kterým lze během zjednodušovánísystému přiřadit některé funkce zařízení. Jelikoţ elementy supersystému nejsou částí systému,je moţné tímto způsobem sníţit náklady.Příklad: Uvaţuj motorovou loď na jezeře. Zde je jedním ze supersystémů pro systém loděvítr. V případě, ţe bude navrţena vhodná plachta, je moţno vítr takto zapřáhnout, a pouţítjako velmi levný zdroj energie pro pohyb lodě. Vítr bude tedy slouţit jako zdroj, a provádětněkteré funkce, které byly dříve navrţeny pro systém.Definování funkcíFunkce, prováděná určitým elementem, je akc,í kterou element generuje na druhý (přijímající)element. Akce mění nebo ovládá jeden nebo více pozorovatelných parametrů přijímajícíhoelementu. Funkce je sestavena ze slovesa a podstatného jména. Sloveso je akcí, prováděnouna přijímajícím elementu (podstatné jméno).PříkladPředpokládej, ţe spolu přímo navzájem působí v systému magnet a elektronový paprsek.Magnet provádí funkci na elektronovém paprsku: odklání elektronový paprsek. Parametrelektronového paprsku, který je touto funkcí ovlivňován, je jeho pozice.V některých případech můţe vyjádření o funkci elementu vypadat přinejmenším rozdílně(netradičně) od zaţitého smýšlení.Dva důleţité body pro definici funkce:1. Funkce je vţdy sestavena ze slovesa (akce) a podstatného jména (objekt který přijímáakci). Celkové vyjádření o funkci je formulováno ve smyslu předmět-akce-objekt, kdepředmětem je element provádějící funkci. Například, ve funkčním vyjádření magnetodklání elektronový paprsek, předmětem je magnet, a jeho funkcí je odkláníelektronový paprsek2. Akční element musí přímo ovlivňovat nebo udrţovat jeden nebo více parametrůpřijímajícího elementu. Pokud nedokáţeme ve funkci identifikovat takový parametr,neobdrţíme pouţitelné hlášení o problému.(Rozlišování uţitečných a škodlivých funkcí)198

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuPoté, co definujeme ve svém modelu funkce, klasifikujeme kaţdou funkci jako buď uţitečnounebo škodlivou.Uţitečná funkce: definiceUţitečné funkce jsou vyţadovány, aby mohl být splněn hlavní účel, pro který je systémnavrţen.Příklad: Funkční vyjádření hořák generuje plamen reprezentuje v procesu uţitečnou funkcihořáku. Hořák ovlivňuje teplotu i hustotu plasmy plamene.Jakmile do prostředí GI vloţme uţitečnou funkci, specifikujeme také její úroveň v relativnímměřítku:nedostatečná – výstup funkce je pod zamýšlenou úrovní (funkce je prováděnanedostatečně)optimální – funkce je prováděna tak jak je zamýšlenonadbytečná – výstup funkce je nad zamýšlenou úrovníŠkodlivá funkce: definiceŠkodlivá funkce reprezentuje okolnosti reálného světa, které nebyly v původním návrhuzamýšleny nebo předpokládány. Takováto funkce je na překáţku zamýšlenému účelu zařízenía způsobuje kompromisy v jeho provedení. Eliminací nebo zmírněním škodlivých funkcímůţe být provedení nebo výkon zařízení optimalizován.Příklad: Funkční vyjádření větrák vibruje díly počítače v systému počítače. Účelem větrákuje zajištění pohybu vzduchu a tím ochlazení komponent v počítači, nikoli způsobit v zařízenívibrace a generovat hluk.Jakmile do prostředí GI vloţíme škodlivou funkci, můţeme specifikovat její úroveňv relativním měřítku - v měřítku od nejméně do nejvíce. Čím škodlivější funkce bude, tímbude méně ohodnocena komponenta, která tuto funkci produkuje.Způsoby jak model sestavitGI poskytuje tři prostředí pro pomoc se sestavením modelu zařízení:Device Model wizardGraph EditorInteraction Matrix5.2.2. Návrh a výpočty vybraných částí akčního subsystému robotuK demonstraci postupu vyberme jednu ze sloţitějších úloh návrhu manipulátoru robotu–řešení horního ramena robotu.Hlavní funkcí horního ramene je polohování (v daném případě rotace kolem osy x)orientačního ústrojí (orientační ústrojí – OŮ – je cíl). Polohování má své parametry – silový199

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémumoment, přesnost, tuhost, rychlost, zrychlení, rozsah pohybu. Komponenty ze kterých sestávámůţeme demonstrovat na obvyklém (= v praxi častém) provedení horních ramen s rotačnímpohybem podle obr. 5.2.2.-1.Obr. 5.2.2.-1 Provedení horního ramenamanipulátorugeometrie nosného profilu ramene,distribuce pohonů,způsoby spojení nosného profilu se skříní kloubu (3.DOF),způsoby připojení orientačního ústrojí,způsob připojení ramene do systému polohovacího ústrojí,Další prvky systému horního ramena jsou – tělesoramena, pohon otoče ramena, 3 pohony OÚ, kabeláţpro přenos energie a informací. Kromě hlavnífunkce je nutné zajistit dílčí funkce jako – tělesoramena nese pohony OÚ, pohon ramena otáčítělesem ramena.Z analýzy struktury orgánů a funkcí uţitečných iškodlivých, potřebných parametrů, dostupnýchpřevodů a motorů i technologičnosti konstrukce,dostupných materiálů vyplynou problémy, kterékonstrukci a její parametry limitují a na které jenezbytné se soustředit.Patří sem např.:způsob vedení energetických kabelů a komunikačních vodičů (případně technologickýchmédií),způsob uloţení koaxiálních dutých hřídelí.200

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuObr. 5.2.2-2 Další provedení horních ramen současně vyráběných robotů201

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuObr. 5.2.2-3 Provedení ramen některých servisních robotůGeometrie nosného profilu zahrnuje tvar a rozměry příčného průřezu a jeho změnu v podélném směruprofilu. Z výše uvedených obrázků vyplývá, ţe se z hlediska tvaru příčného průřezu pouţívajív podstatě dva typy uzavřených profilů – kruhový (typ „trubka“) a obdélníkový (typ „jäkl“). Nosnéprofily, které směrem ke koncovému členu kinematické struktury (k orientačnímu ústrojí) v souvislostis teorií o nosnících stejné pevnosti zmenšují svůj průřez se vzhledem k náročnější technologii výrobyvyskytují v menší míře.Distribuce pohonů je v tomto případě chápána jako rozmístění jednotlivých pohonů následujícíchos (stupňů volnosti) na rameni robotu. U horního ramene současných průmyslových robotů jsouz důvodu sníţení momentu setrvačnosti ramene pohony (resp. motory) následujících os (osorientačního ústrojí) umístěny výhradně na jeho konci protilehlém k orientačnímu ústrojí. Mechanickáenergie je pak z tohoto místa rozvedena obvykle dutými koaxiálními hřídeli uloţenými uvnitř ramene.V případě manipulačních nástaveb servisních robotů, které se obvykle v porovnání s průmyslovýmiroboty vyznačují niţšími rychlostmi a zrychleními jednotlivých pohybových os, se vyskytují hybridníkonstrukce. Při preferování modulární koncepce se pohony jednotlivých os umísťují přímov kloubech.V konstrukci ramen z konvenčních materiálů se pouţívají pro vzájemné spojování jednotlivýchdílů (částí) ramene a při připojování ramene do systému robotu běţně ve strojírenství uţívanérozebíratelné spoje.Energetické kabely, komunikační vodiče a technologická média (stlačený vzduch, laserovýpaprsek, barva pro stříkání, ochranná atmosféra pro svařování apod.) mohou být vedena v zásadědvěma způsoby – vně nebo uvnitř ramene. U průmyslových robotů se vyskytují obě varianty, přičemţzáleţí na konkrétní konstrukci a zvyklostech výrobce. Pro manipulační nástavby servisních robotů jetypické vést energii, informace a technologická média v dutině ramen.Vyuţití koaxiálních dutých hřídelí uloţených v dutině ramene je v současnosti nejpouţívanějšízpůsob rozvodu mechanické energie z pohonů (resp. motorů) do příslušných kloubů.Varianty moţných řešení horních ramen lze výhodně posoudit v morfologické matici orgánů(obr.5.2.2.-4).Číslo Charakteristický znakznaku (vlastnost)IIIdistribuce (umístění)pohonůpřenos energiez pohonů (motorů)do kloubůZpůsob provedení (technická realizace)a b c dPočet způsobůprovedenív kloubech hybridní mimo klouby ----- 3vloţenérozvodnépřevodybez rozvodnýchpřevodů----- ----- 2IIItvar průřezu nosnéhoprofilukruhobdélníkmnohoúhelníkproměnný4202

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuIVtyp průřezu nosnéhoprofiluplný(viz obr. IVa)dutý(viz obr. IVb)----- ----- 2Vvelikost (rozměry)průřezu po délcekonstantní(viz obr. Va)proměnná(viz obr. Vb)----- ----- 2VIzpůsob připojeníspojovacího prvku(prvků)integrován(y)při výrobělaminátudodatečnépřipojen(y)----- ----- 2VIIspoj nosného profilus prvkem kloubu(3.DOF)s materiálovýmstykemse silovýmstykems tvarovýmstykemkombinovaný 4VIIIspoj nosného profilus prvkem orientačníhoústrojís materiálovýmstykemse silovýmstykems tvarovýmstykemkombinovaný 4IXpovaha (funkce)nosného profilupevnýrotující----- ----- 2Celkový počet kombinací (teoretický počet variant) 6144Obr. 5.2.2-4 Morfologická matice volby orgánůPro demonstraci byla vybrána varianta se stacionárním tělesem ramena (obr. 5.2.2.-5).Obr. 5.2.2-5 První představa o moţné koncepci horního ramena203

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuObr. 5.2.2-6 Detaily zvolené koncepceJedná se o variantu, která se vyznačuje stacionárním nosným profilem (obr. 5.2.2.-5),spojeným se skříní kloubu 3. DOF. V tomto konstrukčním řešení je namáhán nosný profilohybem a tahem. Jak je patrné z řezu 3D modelem na obr. 5.2.2.-6, obsahuje konstrukce třikoaxiální duté hřídele.. Na dutý hřídel 4. a 5. DOF je přenášen výkon servomotorů pomocíčelních ozubených soukolí. Dutý hřídel 6. DOF je se servomotorem spojen spojkou. Ktransformaci parametrů (otáček a momentů) servomotorů jednotlivých stupňů volnostiorientačního ústrojí dochází v harmonických převodovkách pro 4., 5. a 6. DOF, které jsouumístěny na konci ramene v orientačním ústrojí. Díky tomu přenáší duté hřídele relativněnízké kroutící momenty při vysokých otáčkách.Jedním z aspektů při výběru vhodnější varianty je výskyt kritického místa návrhuz hlediska jeho konstrukčního řešení a montáţe. U uvedené varianty je takovým místemuloţení tří koaxiálních dutých hřídelů (včetně jejich montáţe) a vedení dutých hřídelů 5. a 6.DOF poměrně malým otvorem v harmonické převodovce 4. DOF. Z tohoto důvodu by muselabýt s největší pravděpodobností pouţita výrobcem upravená harmonická převodovka s většímotvorem, jejíţ cena by byla podstatně vyšší neţ cena převodovky standardní.Výpočtový model robotu a jeho parametryPro předběţný návrh jednotlivých dílů a strojních součástí a komponent konstrukcehorního ramena je potřebné stanovit výchozí hodnoty zatíţení jednotlivých dílů. Tento procesje z důvodu neznalosti hmotností a momentů setrvačnosti jednotlivých součástí a skupinv počáteční fázi návrhu velmi obtíţný a vyţaduje značné zkušenosti z předešlé realizacepodobných konstrukcí. K získání výchozích hodnot zatíţení byl v modulu Pro/MECHANICAMOTION proto vytvořen pro koncepci robotu (obr. 5.2.2.-8) výpočtový model akčníhosubsystému robotu (obr. 5.2.2.-7). Jeho uţitné parametry (obr. 5.2.2.-10) byly zvoleny a204

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémudopočteny na základě parametrů současných angulárních robotů (obr. 5.2.2.-9), přičemţúroveň některých parametrů byla v souladu s inovativním přístupem mírně zvýšena.Obr. 5.2.2-7 Výpočtový model akčního subsystému robotuObr. 5.2.2-8 Zvolená koncepce robotuTyp robotuParametrABB IRB 2400L Reis RV 6L Kuka KR 16 L6Jmenovitá nosnost [kg] 7 6 6205

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuPřídavná zátěţ horního ramene [kg] 10 10 10Opakovatelná přesnost [mm] ±0,06 ±0,05 ±0,1Max. dosah [mm] 1810 1725 2025Rozsahy pohybu ospolohovacího ústrojí [°]Rozsahy pohybu osorientačního ústrojí [°]Max. úhlové rychlosti ospolohovacího ústrojí [°/s]Max. úhlové rychlosti osorientačního ústrojí [°/s]VzdálenostOsa 1 360 (±180) 330 (-180/+150) 370 (±185)Osa 2 200 155 (-30/+125) 190 (-35/+155)Osa 3 125 270 (-150/+120) 284 (-154/+130)Osa 4 370 (±185) 420 (±210) 700 (±350)Osa 5 240 (±120) 246 (±123) 260 (±130)Osa 6 800 (±400) 720 (±360) 700 (±350)Osa 1 150 140 156Osa 2 150 140 156Osa 3 150 140 156Osa 4 360 270 335Osa 5 360 300 355Osa 6 450 500 647Osa 2 - Osa 3 [mm] 855 615 680Osa 3 - Příruba připoj.interfejsu [mm]945 830 1085Obr. 5.2.2-9 Parametry vybraných robotů o nosnosti 6-16 kgStanovení maximálních úhlových zrychlení jednotlivých stupňů volnostiPro určení maximálních úhlových zrychlení stupňů volnosti (os) polohovacího ústrojí bylstanoven poţadavek, aby k rozběhu příslušné osy z klidu na její maximální úhlovou rychlostdošlo na dráze rovné 15 % minimálního rozsahu pohybu os polohovacího ústrojí podlevztahu:imax22i maxk, (1)kdeje minimální hodnota z rozsahů pohybu os polohovacího ústrojí (1., 2. a 3. DOF), tedy2 , a poměr úhlové dráhy rozběhu (resp. brzdění) a rozsahu pohybu osy je navrţenk 0,15 (15 %).Doba rozběhu příslušné osy polohovacího ústrojí z klidu na její maximální úhlovourychlost se vypočte ze vztahu:i maxtir. (2)i maxPříklad výpočtu maximálního úhlového zrychlení a doby rozběhu 1. DOF:t1max1r2 21max1602 k 2 0,15 1901max1max1600,356 s449,1449,1 s 7,839 rad s2 2206

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuObdobně se určí maximální úhlová zrychlení stupňů volnosti (os) orientačního ústrojí, kdese ve vztahu (1) místodosazuje minimální hodnota z rozsahů pohybu os orientačníhoústrojí (4., 5. a 6. DOF) ou 5 a je navrţen poměr úhlové dráhy rozběhu (resp. brzdění)a rozsahu pohybu osyk ou0,12 (12 %). Doba rozběhu příslušné osy orientačního ústrojíz klidu na její maximální úhlovou rychlost se vypočte z rovnice (2).K výpočtu maximálních úhlových zrychlení a dob rozběhu jednotlivých stupňů volnosti bylvyuţit program Mathcad 13.0.Obr. 5.2.2-11 Uvaţovaný průběh rychlosti a zrychleníParametr207Vstupní (navržená)hodnotaJmenovitá nosnost [kg] 10Přídavná zátěţ horního ramene [kg] 10Opakovatelná přesnost [mm] ±0,1Max. dosah [mm] 2000Rozsahy pohybu ospolohovacího ústrojí [°]Rozsahy pohybu osorientačního ústrojí [°]Max. úhlové rychlosti ospolohovacího ústrojí [°/s]Max. úhlové rychlosti osorientačního ústrojí [°/s]Osa 1 - 1 370 (±185)Osa 2 - 2 190 (-35/+155)Osa 3 - 3 280 (-150/+130)Osa 4 - 4 420 (±210)Osa 5 - 5 250 (±125)Osa 6 - 6 720 (±360)Osa 1 - 1max 160Osa 2 - 2max 160Osa 3 - 3max 160Osa 4 - 4max 320Osa 5 - 5max 350Osa 6 - 6max 600

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuMax. úhlová zrychlení ospolohovacího ústrojí [°/s 2 ]Max. úhlová zrychlení osorientačního ústrojí [°/s 2 ]VzdálenostOsa 1 - 1max 449,1Osa 2 - 2max 449,1Osa 3 - 3max 449,1Osa 4 - 4max 1706,7Osa 5 - 5max 2041,7Osa 6 - 6max 6000Osa 2 - Osa 3 (l 4 ) [mm] 700Osa 3 - Příruba připoj.interfejsu (l 5 + l 6 ) [mm]1050Obr. 5.2.2-10 Zvolené parametry výpočtového modelu robotuHodnoty zatíţení v určených místech horního ramenaPro získání hodnot zatíţení v příslušných místech konstrukce horního ramena bylyprovedeny dynamické analýzy výpočtového modelu v systému Pro/MECHANICA MOTION,pro nejnepříznivější polohu průmyslového robotu. Za tuto polohu byla zvolena konfiguracemanipulátoru robotu se spodním a horním ramenem, konkrétně výstupem 5. DOF, natočenýmdo vodorovné roviny (obr. 5.2.2-11). V této poloze dochází k největšímu vyloţenípolohovacího ústrojí robotu. Tabulka v obr. 5.2.2-12 uvádí sloţky daných zatíţení pro tutokonfiguraci za současného pohybu jednotlivých stupňů volnosti (os) s maximálnímzrychlením a maximální rychlostí, jichţ je dosaţeno právě v této poloze.Místo působení Sloţky zátěţné síly [N] Sloţky zátěţného momentu [N.mm]Výstup 6.DOFVýstup 5.DOFVýstup 4.DOFVýstup 3.DOFF 6x -660 M 6x -115872F 6y 1304 M 6y -59290F 6z -640 M 6z 1962F 5x -707 M 5x -163099F 5y 1452 M 5y -59235F 5z -729 M 5z 49520F 4x -867 M 4x -920858F 4y 1909 M 4y -61857F 4z -1052 M 4z 704481F 3x -1026 M 3x -1099330F 3y 2371 M 3y -244008F 3z -1466 M 3z 510493208

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuSpoj nosný profil - koncovka(strana OÚ)Spoj nosný profil - koncovka(strana skříně 3.DOF)F SOUx -816 M SOUx -421806F SOUy 1797 M SOUy -61617F SOUz -947 M SOUz 277938F SSKx -832 M SSKx -900612F SSKy 1841 M SSKy -61679F SSKz -981 M SSKz 686770Hodnoty zatíţení v uvedených místech pro nejnepříznivější konfiguraciObr. 5.2.2-12výpočtového modelu za současného pohybu jednotlivých os s maximálním zrychlením arychlostíRozbor zatíţení jednotlivých částí ramenaPři stanovení zatíţení jednotlivých součástí a komponent konstrukce ramenese postupovalo od výstupu příslušného stupně volnosti, kde je jiţ zatíţení známo z dynamickéanalýzy výpočtového modelu průmyslového robotu viz tabulka (obr. 5.2.2-12 ). Těmitosoučástmi se myslí loţiska a strojní součásti a komponenty pro přenos výkonu ze servomotorůna výstup příslušného stupně volnosti orientačního ústrojí, tzn. hřídele včetně per, koaxiálníduté hřídele, nosný profil, mechanické převody, harmonické převodovky a spojky.Postupným zahrnováním dynamického zatíţení od předcházejících rotujících částí úměrnéhojejich momentu setrvačnosti byly určeny vstupní údaje pro návrh a dimenzování těchtosoučástí.Na obr. 5.2.2-13, 14, 15 je znázorněno uspořádání 6., 5. a 4. DOF. Tyto obrázky slouţík určování zatíţení jednotlivých strojních součástí a komponent a k jejich následnémudimenzování. Vzhledem k tomu, ţe se jedná o stále stejný princip výpočtu, postupující vţdyod výstupu příslušného stupně volnosti (v případě 6. DOF tedy od příruby připojovacíhointerfejsu) k servomotoru a bude vyuţit pro všechny tři stupně volnosti, je zde tento výpočetuveden obecně. Jeho aplikace je demonstrována pouze na příkladu výpočtu kroutícíhomomentu (zatíţení) hřídele hnané ozubené řemenice 6. DOF, uloţené v loţiskách 3, 4(viz obr. 5.2.2-13). Nutno podotknout, ţe při postupném dimenzování a úpravách 3D modeluramene jsou známy všechny parametry předchozích součástí a komponent potřebné provýpočet zatíţení následujícího dílu.Výpočet kroutícího momentu (zatíţení) přenášeného danou součástí se provádí dlevztahu:209

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuMJM J i ,k 1kimiDOFkiDOF kkkiDOF i jm 1 2j 1ij jij jj 1 j m 1kde MkiDOF je kroutící moment přenášený k-tou součástí (hřídelí) i-tého stupněvolnosti (od jeho výstupu),Mi je moment na výstupu i-tého stupně volnosti,ij je převodový poměr j-tého převodu nebo převodovky i-tého stupně volnosti,j je účinnost j-tého převodu nebo převodovky i-tého stupně volnosti,JmiDOF je moment setrvačnosti m-té skupiny součástí (hřídele včetně nábojů) i-téhostupně volnosti,JkiDOF je moment setrvačnosti k-té skupiny součástí (hřídele včetně nábojů) i-téhostupně volnosti,i je úhlové zrychlení na výstupu i-tého stupně volnosti.Otáčky k-té součásti (hřídele) i-tého stupně volnosti se vypočítají ze vztahu:nkiDOFkde2ikj 1ij,i je úhlová rychlost na výstupu i-tého stupně volnosti.Výkon přenášený k-tou součástí (hřídelí) se pak určí z rovnice:PkiDOF MkiDOF 2 nkiDOF.Aplikace rovnic tří posledních rovnic pro výpočet veličin přenášených hřídelí hnanéozubené řemenice 6. DOF:MII 6DOFmaxiM6 y maxhp6DOF hp6DOF kos6DOF 2 kos6DOF2JJhp6DOF I 6DOF2kos6DOF2 kos6DOF2iiJ i iII 6DOF 6max hp6DOF kos6DOF2M59,290 1,93 10 4,5 1050 0,75 1 0,9877 1 0,9877II 6DOFmax 25 557,8 10 104,72 50 1 2,350Nm6max10,472nII 6DOF maxihp6 DOFikos 6DOF2 50 1 83,334 s 5000min2 21 1P M 2 n 2,350 2 83,334 1230WII 6DOF max II 6DOF max II 6DOFmax210

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuObr. 5.2.2-13 Schéma uspořádání 6. DOFObr. 5.2.2-14 Schéma uspořádání 5. DOFPoznámka: Hodnoty veličin uvedených v rovnicích a představují parametry známéz postupného návrhu od výstupu stupně volnosti.Obr. 5.2.2-15 Schéma uspořádání 4. DOFNávrh strojních součástí a komponent ramena211

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuPatří sem především návrh harmonických převodovek, jednotlivých mechanickýchpřevodů a jejich prvků, hřídelí a jejich spojů s náboji, loţisek, spojek mezi servomotorem ahřídelemi, aj. Tyto výpočty byly předmětem kurzu Průmyslové roboty a manipulátory.Na tomto místě uvedeme návrh nosného profilu ramena řešeného jako trubka. Pronávrh byla stanovena kritéria a jejich mezní hodnoty (okrajové podmínky) viz tabulka (obr.5.2.2.-16). Při jejich nedodrţení přestává profil, potaţmo celé rameno, plnohodnotně plnitsvou funkci. Volí se tloušťka stěny trubky t NP , resp. její vnitřní průměr d NP .KritériumPřemístění koncového bodu střednice nosného profilu při max. zatíţení(deformace od ohybu a tahu)Úhel zkroucení nosného profilu při max. zatíţení (deformace od krutu)Pevnostní kontrola pro max. zatíţeníObr. 5.2.2-16 Kritéria pro dimenzování nosného profiluPodmínka0,12 mm0° 1´ ( 2,9.10 -4 rad)musí vyhovovatVýpočtové schéma nosného profiluPro snadnější definování výpočtového modelu pro napěťovou a deformační analýzu jevýhodné sestavit výpočtové schéma, které zachycuje uloţení a zatíţení součásti. Nosný profillze chápat jako nosník vetnutý v místě uloţení v loţisku se zkříţenými válečky. Maximálnízatíţení nosného profilu je tvořeno (viz obr. 5.2.2-17):dynamickými a statickými účinky od následujících částí konstrukce horního ramenezakončených objektem manipulace (včetně) reprezentovanými silou FSOUa momentem,M SOUvlastní tíhou nosného profilu,proměnným spojitým zatíţením ff ( y )NP(v důsledku translačního zrychlení),NPod pohybu nosného profiludynamickým momentemMdNP(v důsledku úhlového zrychlení).od pohybu nosného profiluÚkolem je stanovit průběh spojitého zatíţení212fNPv závislosti na vzdálenosti yNPod začátku nosného profilu. K tomu je potřeba nejprve určit translační zrychlení jednotlivýchbodů střednice nosného profilu. Pro výpočet byl s výhodou vyuţit program Mathcad 13.0a byly aplikovány znalosti řešení kinematiky prostorových mechanismů. Základním krokemvýpočtu je vytvoření schématu mechanismu s rozmístěním souřadných systémů

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémudle Denavit-Hartenberga (zkráceně D-H) (viz obr. 5.2.2.-17) pro následné sestavenítransformačních matic mezi těmito souřadnými systémy.Obr. 5.2.2-17 Schéma průmyslového robotu se souřadnými systémy a parametry dle D-H213

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuObr. 5.2.2-17 Parametry D-HTranslačnízrychleníjednotlivých bodů střednice nosnéhoprofilu se vypočítá ze vztahu:aNPb yNPkde je vektorzrychlení bodu střednice nosnéhoprofilu daného proměnnou yNPv bázovém souřadném systému(0xbybzb),a 4 je vektor zrychlenípočátku souřadného systému článku4 (0x4y4z4),4 je vektor úhlového zrychlení článku 4,pNPbyNPje vektor bodu střednice nosného profilu daného proměnnou yNP,4 je vektor úhlové rychlosti článku 4 aNPb yNP a4 4pNPb yNP 4 4pNPb yNPObr. 5.2.2-18 Výpočtové schéma nosného profilu pro maximální zatíţeníPostupnou úpravou vektorové rovnice se získají pro jednotlivé sloţky translačníhozrychlení bodů střednice nosného profilu tyto vztahy:214

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémux-ová sloţka: aNPbx yNP a4x yNP4 p 4z yNP4 p 4x 4 y 4z 4x 4 yyNP,y-ová sloţka:a y a y y y ,2 2 2 2NPby NP 4 y NP4 p 4x NP4 p 4z 4x 4z NPz-ová sloţka: aNPbz yNP a4 zyNP4 p 4x yNP4 p 4 y 4z 4x 4 y 4z yNP.Z rovnic pro sloţky je patrné, ţe se jedná o rovnice lineární, které lze přepsatnahrazením absolutního členu konstantou q NP a lineárního členu konstantou k NP do tvarů:x-ová sloţka: aNPbx yNP qNPx kNPx yNP,y-ová sloţka: aNPby yNP qNPy kNPy yNP,z-ová sloţka: aNPbz yNP qNPz kNPz yNP.Obr. 5.2.2-19 Průběh x-ové sloţky translačníhozrychlení po délce střednice nosného profiluTotoţnost (překrývání) průběhu x-ové sloţkys průběhem y-ové sloţky a s průběhem z-ovésloţky dokládá správnost provedenímatematických úprav.Vzhledem k homogenitě trubky a jejímukonstantnímu průřezu po délce platínásledující závislost:dylNPNPdmmNPNPdmNPmlNPNPkde m NP je hmotnost nosného profilu.dyNP,Obr. 5.2.2-20 Schéma nosného profilu s vyznačením elementárního řezu215

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuNa elementární část nosného profilu o délce dyNP ve vzdálenosti yNP od jeho počátkud FNP yNP(viz obr. 5.2.2-20) působí v důsledku translačního zrychlení elementární sílaurčená vztahem: d F y a y dmNP NP NPb NP NPDosazením do této rovnice a zavedením konstanty2 2mNPDNP dNP lNPNPk 4t D tllm NP NP NP NPNPNP md F y a y dy k a y dyNPNP NP NPb NP NP m NPb NP NPlNP..se získá vztah:Průběh spojitého zatíţení od translačního zrychlení proměnného po délce nosnéhoprofilu je pak určen vztahem: d FNPy NPf y k a ydyNP NP m NPb NPNP.Rozepsáním tohoto vztahu do sloţek a dosazením konkrétních hodnot získámenásledující vztahy:x-ová sloţka: fNPx yNP km qNPx km kNPx yNP 45,245 43,380 yNP,y-ová sloţka: fNPy yNP km qNPy km kNPy yNP 91,301 215,842 yNP,z-ová sloţka: fNPz yNP km qNPz km kNPz yNP 38,434 86,759 yNP.Poznámka: Proměnná l NP v grafech na obr. 5.2.2-19, 21 odpovídá y NP v uvedených rovnicích..Obr. 5.2.2-21 Průběh x-ové sloţky spojitéhozatíţení od translačního zrychlení po délcenosného profilu216Dynamický moment od úhlovéhozrychlení nosného profilu se vypočítá ze vztahu: MdNPJNP 4 4JNP 4,kde (J NP ) je matice setrvačnosti nosnéhoprofilu vyjádřená v bázovém souřadnémsystému (sestavená na základě prvkůodečtených z analýzy 3D modelu nosnéhoprofilu v systému Pro/ENGINEER).Po dosazení konkrétních hodnot získáme

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuvelikost dynamického momentu:MdNP1,460 Nm0,149 Nm0,321Nm.Výpočet spojitého zatíţení od translačního zrychlení a dynamického momentu odúhlového zrychlení nosných profilů z různých materiálů a dutých hřídelí 5. a 6. DOF je třebadoplnit výpočtem statického zatíţení.Statické zatíţení nosného profilu zahrnuje pouze tíhu částí konstrukce horního ramene zakončených objektem manipulace (včetně), reprezentovanou silou a momentemFSOUMSOUa vlastní tíhu nosného profilu. Schéma nosného profilu zatíţeného staticky je zobrazeno naobr. 5.2.2-22..Obr. 5.2.2-22.. Výpočtové schéma nosného profilu pro statické zatíţeníShrnutí kapitolyV této kapitole jste poznali nové pojmy:Výpočtový modelStruktura pohybové jednotkyPrvky pohybové jednotkyVýpočtové schéma statického a dynamického zatíţeníSouřadné systémyProgram MathcadNa příkladech konstrukcí pohybových jednotek a výpočtových schématech bylo ukázánopropojení a aplikace poznatků z oblasti robotiky ostatních disciplin – Mechanika, Části amechanismy strojů, Pruţnost a pevnost aj.217

Aplikace postupů a prostředků pro návrh akčního subsystémuKontrolní otázka1) Jak přejdete od modelu konstrukčního uzlu ve 2 nebo 3D k výpočtovému modelu?2) Z čeho sestává maximální zatíţení profilu ramene vybrané pohybové jednotky (zde)?Úkol k řešeníPorovnejte v příkladu uvedená konstrukční řešení pohybových jednotek a odpovídajícívýpočtové modely a analyzujte rozdíly, případně jiné varianty řešení.218

Přílohy6. PŘÍLOHY219

Další zdrojeDalší zdroje[1] Skařupa, J.-Mostýn,V.: Metody a prostředky navrhování průmyslových aservisních robotů. Vydanie I., Košice: Edícia vedeckej a odbornej literatúry– Strojnícka fakulta TU v Košiciach, Vienala Košice, 2002; [ISBN 80-88922 – 55 - 0] 190 str.[2] Skařupa, J.-Mostýn,V.: Teorie průmyslových robotů. Vydanie I., Košice:Edícia vedeckej a odbornej literatúry – Strojnícka fakulta TU v Košiciach,Vienala Košice, 2000; [ISBN 80 – 88922 – 35 – 6] 150 str.[3] Skařupa, J.: Průmyslové roboty a manipulátory. Operační program Rozvojlidských zdrojů. Název: E-learningové prvky pro podporu výuky odbornýcha technických předmětů CZ.O4.01.3/3.2.15.2/0326. Ostrava 2007 [ISBN978-80-248-1522-0] 260 str.[4] Skařupa, J.: Kreativita a inovační myšlení v konstruování. Operačníprogram Rozvoj lidských zdrojů. Název: Inovace vzdělávání na Fakultěstrojní zaměřené na osobnostní rozvoj studentů CZ.O4.1.03/3.2.15.3/0415.Ostrava 2007 [ISBN 978-80-248-1717-0] 230 str.[5] Angeles, J.: Fundamentals of Robotic, Mechanical systems, Second Edition,Springer, 2002, [ISBN 0-387 – 95368 - X] 513 p.[6] Lung-Wen Tsai: Robot Analysis, John Wiley § Sons, 1999, [ISBN 0-471 –32593 - 7] 497 str.[7] Konečný, Z. Technologie Top Down Design v návrhu struktur robotů.AT&P journal: Bratislava 2005, HMH s.r.o. Bratislava, ročník XII, číslo2/2005, s. 43-44. ISSN 1335-2237[8] Konečný, Z. Models of robots mechanism in CAD system Pro/ENGINEER.Acta Mechanica Slovaca: Strojnícká fakulta technickej university vKošiciach, Košice, 2-A/2006 ROBTEP 2006, ročník 10, str. 239 -242. ISSN1335-2393[9] Konečný, Z. Krys, V. Creation of the rotational joint for the strengthcalculation purposes. Acta Mechanica Slovaca: Strojnícká fakulta technickejuniversity v Košiciach, Košice, 2-A/2006 ROBTEP 2006, ročník 10, str.243 -247. ISSN 1335-2393[10] CRAIG, J.J. Introduction to Robotics Mechanics & Control. USA: Addison-Wesley,1986,ISBN 0-201-10326-5[11] FROLOV,K.,V.,VOROBĚV,J.,I.: Mechanika promyšlennych robotov.Rasčet i projektirovannije mechanizmov. Moskva, Vysšaja škola, 1988.[12] ISII,T.-SIMOJAMA,I.-INOUE,H.-HIROSE,M.-NAKADZIMA,N.:Mechatronika. Tokyo, Iwanami Shoten Publishers 1985220

Další zdroje[13] MOSTÝN, V.-SKAŘUPA, J.: Improving of the Mechanical ModelAccuracy for Simulation Purposes. In: Mechatronics č. 2/2001, ElsevierScience Velká Británie[14] RIVIN, E. I.: Mechanical design of robots.New York, McGraw-Hill BookCompany, 1988.[15] SCHILLING, R.J. Fundamentals of Robotics, Analysis and Control. USA:Prentice-Hall Inc., 1990, ISBN 0-13-334376-6[16] SCHRAFT, R., D., VOLZ, H.: Serviceroboter. Innovative Technik inDienstleistung und Versorgung. Springer, Berlin, 1996, str. 232. ISBN 3-540-59359-4.[17] SCHRAFT, R., D., SCHMIERER, G.: Serviceroboter. Produkte, Szenarien,Visionen. Springer, Berlin, 1998, str. 216. ISBN 3-540-64330-3.[18] Dejl, Z.: Konstrukce strojů a zařízení I., MONTANEX, Ostrava, 2000[19] SKAŘUPA, J.: Metody koncepčního návrhu manipulátorů průmyslovýchrobotů. Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské – Technickéuniverzity Ostrava, roč. XLIV, řada strojní, č.1/98, Ostrava, 1998, s. 47-52;[ISSN 1210 - 0471][20] SKAŘUPA, J.: Development and innovation of robotics systems. Sborníkvědeckých prací Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava, roč.XLV, řada strojní, č.2/99, Ostrava, 1999, s. 121-126; [ISSN 1210 - 0471][21] SKAŘUPA, J.-MOSTÝN,V.: Model parametrization as a method ofproperties transfer on new-proposed robots. Sborník vědeckých pracíVysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava, roč. XLVI, řadastrojní, č.1/2000, Ostrava 2000, s. 49-54; [ISSN 1210 - 0471][22] SKAŘUPA,J.-MOSTÝN,V.: CAD systémy a postupy prediktivníhoinţenýrství aplikované na vývoj PRaM. In: Zborník vedeckých prác SjF TUKošice, 3. medz. konf. "ROBTEP 97 - Automatizácia/Robotika v teórii apraxi", Prešov 1997, s. 44 - 46; [ISBN 80-7099-293-X][23] SKAŘUPA,J.-MOSTÝN,V.: Analysis and definition of task fordevelopment and innovation of robotic systems. In: Acta MechanicaSlovaca, roč.1, č.1/2000, SjF TU Košice, 2000, s. 39-46; [ISSN 1335-2393][24] SKAŘUPA,J: Techoptimizer – the tool for innovation and new solution inrobotics. In: Sborník mezinárodní vědecké konference fakulty strojní, sekceVýrobní systémy s průmyslovými roboty, FS VŠB-TUO Ostrava, Ostrava2000, s.52.1-52.7 [ISBN 80-7078-799-6][25] SKAŘUPA,J: Service robots – formulation of a task order for development.In: Sborník mezinárodní vědecké konference fakulty strojní, sekce Výrobnísystémy s průmyslovými roboty, FS VŠB-TUO Ostrava, Ostrava 2000,s.54.1-54.6 [ISBN 80-7078-799-6][26] SKAŘUPA,J.-MOSTÝN,V.: Design and innovation methods of roboticsystems. In: Sborník mezinárodního kongresu MATAR Praha 2000, sekce221

222Další zdrojePrůmyslové roboty a automatizace, FS ČVUT Praha, Praha 2000, s.36-42[ISBN 80-238-5539-5][27] SKAŘUPA,J.-MOSTÝN,V.: The method of properties transfer on newproposedrobots. In: 16th International Conference on Production ResearchICPR – 16, „Production and Technology for the Benefit of Mankind,Protecting the Nature and Life on the Earth“ Conference CD-ROM p. 13,CTU Prague, Prague 2001, s.xx-xx (přijato do sborníku) [ISBN 80-02-01438-3][28] SKAŘUPA,J.: Servisní roboty – nové přístupy k zadání úkolů pro vývoj. In:Sborník konference AUTOS 2001, Automatizované systémy. TERIS 2001,ČVUT Praha, aj., Praha 2001, s.98-104 [ISSN 1212-5706][29] SKAŘUPA,J.: Počítačová podpora předběţného návrhu akčníhosubsystému modulárních PR. In: 2. medz. konf. "ROBTEP 95 –Automatizácia/Robotika v teórii a praxi", SjF TU Košice, Prešov 1995, s.61-64[30] SKAŘUPA,J.: Destrukční robotizované systémy. In: 2. medz. konf."ROBTEP 95 – Automatizácia/Robotika v teórii a praxi", SjF TU Košice,Prešov 1995, s. 169-172[31] SKAŘUPA, J.: Some Aspects of Computer Support in a Design of ModularStructures of Industrial Robots. In: 2. medz. konf. "COMTEP 96 - Počítačev teórii a praxi", SjF TU Košice, Prešov 1996, s. 42 - 44; [ISBN 80-7099-261-1][32] SKAŘUPA, J.: Research on robotized systems for support of new water jettechnology applications. In: Geomechanics 96,A.,A.,Balkema/Rotterdam/Brookfield 1997, s. 309 - 314; [ISBN 90 5410921 1][33] SKAŘUPA,J.- MOSTÝN,V.: Počítačová podpora vybraných etapkoncepčního návrhu mechatronických systémů. In: 3. medz. konf."COMTEP 98 - Počítače v teórii a praxi", SjF TU Košice, Prešov 1998, s.225 - 228; [ISBN 80-7099-388-X][34] SKAŘUPA, J.: Selected questions of the design robotized destructionsystems with high pressure water jet. In: 6th Int. Workshop on Robotics inAlpe-Adria-Danube Region RAAD’97, University of Cassino, Cassino1997, Italy, s. 417-422; [ISBN 88-87054-00-2][35] SKAŘUPA,J.-MOSTÝN,V.: Analysis and definition of task fordevelopment and innovation of robotic systems. In: 4. celošt. konf. s medz.účasťou "ROBTEP 99 – Automatizácia/Robotika v teórii a praxi", SjF TUKošice, Prešov 1999, s. 265-272 [ISBN 80-7099-453-3][36] SKAŘUPA,J.-MOSTÝN,V.: Service robots - formulation of task fordevelopment and tools of solutions. In: 10th Int. Workshop on Robotics inAlpe-Adria-Danube Region RAAD 2001, Vienna University ofTechnology, Vienna 2001, Austria, (Abstrakts s. 14), CD ROM s. 6;[37] SKAŘUPA, J.- MOSTÝN, V. – KOLEKTIV: Rozvoj metod počítačové

Další zdrojepodpory pro návrh mechatronických systémů. Grantový projekt Fondurozvoje vysokých škol G1/0577/1999. (zr). Závěrečná zpráva 12/1999, kat.robototechniky FS VŠB – TU Ostrava, Ostrava 1999.[38] SKAŘUPA, J.: Uplatnění nových vzdělávacích metod technické tvůrčípráce. Grantový projekt Fondu rozvoje vysokých škol F1/0578/1999. (zr).Závěrečná zpráva 12/1999, kat. robototechniky FS VŠB – TU Ostrava,Ostrava 1999.[39] SKAŘUPA, J. – MOSTÝN, V.: Uplatnění nových vědeckých poznatkův předmětu Navrhování mechatronických systémů. Grantový projekt Fondurozvoje vysokých škol F1/0643/1999. (zr). Závěrečná zpráva 12/1999, kat.robototechniky FS VŠB – TU Ostrava, Ostrava 1999.[40] SKAŘUPA, J.: Robotizované destrukční systémy s progresivními roboty.Grantový projekt Fondu rozvoje vysokých škol F1/3064/1994. (zr).Závěrečná zpráva 12/1994, kat. robototechniky FS VŠB – TU Ostrava,Ostrava 1994.[41] SZTEFEK, Jan. Analýza možností užití kompozitů v konstrukci robotů.Ostrava, 209. Diplomová práce. VŠB – Technická univerzita Ostrava.Fakulta strojní. Vedoucí práce Jiří Skařupa.[42] TOMKINSON, D.-HORNE, J.: Mechatronics Engineering. New York aj.,McGraw-Hill, 1995, s. 201[43] VALÁŠEK, M. a kol.: Mechatronika. Praha, Vydavatelství ČVUT 1995, s.153.[44] WANNER, M.-CH.: Rechnergestützte Verfahren zur Auslegung derMechanik von Industrierobotern. Berlin, Springer-Verlag, 1989.[45] WARNECKE, H., SCHRAFT, R.: Industrieroboter Handbuch für Industrieund Wissenschaft. Berlin, Heidelberg, Springer Verlag, 1990. 348 p.[46] Http://www.euron.org223

Klíč k řešeníKlíč k řešeníBlok 1O 1.1-1O 1.1-2O 1.1-3O 1.1-4V čem spočívá odlišnost robotu oproti manipulátoru?Manipulátor má nulovou inteligenci.Jak se liší robot sériový od paralelního?Řazením pohybových jednotek.Čím se odlišují průmyslové a servisní roboty?Účelem – řeší automatizaci servisních činností, musí mít k tomu vhodnýtechnologický modul a odpovídající pohyb.Jaké jsou fáze technického ţivota robotů?Nápad,návrh,realizace, provoz, likvidace.O 1.1-5Která témata prerekvizit jsou pro předmět Roboty a manipulátory zvláště důleţitá aproč?Znalosti konstrukce PRaM, Metodiky konstruování, Částí a mechanismů strojů.O 1.2-2Jaká jsou kriteria pro volbu kinematické struktury?Tvar a velikost pracovního prostoru, požadovaná dráha těžiště objektumanipulace, požadovaná přesnost polohování OM, požadovaná orientace OM,volba druhu pohonu jednotlivých osO 1.2-3Co je obecný model postupu konstruování a v čem je jeho význam?Stanovení funkční a orgánové struktury, propracování konstrukčnídokumentace, vše ve variantách, vyhodnocení variant a volba konečné a jejíoptimalizace.O 1.2-4Na čem je zaloţena funkční a nákladová analýza?Na analýze funkcí a nákladů a postupu hledání zlepšování funkcí a snižovánínákladů.O 1.2-5Kdy je výhodné uţít metodiku TRIZ?Pro hledání nových řešení nebo výrazných inovací.224

Klíč k řešeníO 1.3-1O 1.3-2O 1.3-3O 1.3-4O 2.1-1O 2.1-2O 2.1-3O 2.1-4O 2.1-5O 2.2-1O 2.2-2Jaké jsou základní shody a odlišnosti mezi sériovými a paralelními koncepcemiprůmyslových robotů?Odlišná je struktura ramen robotu,z čehož vyplývají odlišnosti výstupníchparametrů – pracovní rychlosti, přesnost, tuhost, pracovní prostor.Shody jsouv řešení jednotlivých kloubů.Jaké jsou základní shody a odlišnosti mezi průmyslovými a servisními roboty?Účelem – řeší automatizaci servisních činností, musí mít k tomu vhodnýtechnologický modul a odpovídající pohyb.Jaké rozpory a problémy se vyskytují při návrhu jednotlivých druhů robotů?Rozpory mezi požadavky kladenými na automatizaci činností a možnostmijejich realizace danými stavem techniky.Jaké jsou rozdíly mezi roboty a jinými mechatronickými systémy?V závislosti na účelu disponují vyšší univerzalitou aplikací a funkcí.Blok 2Které jsou výchozí parametry při návrhu vyváţení rotační pohybové jednotky?Tíhové a setrvačné účinky pohybujících se hmot, jejich rychlosti a zrychlení aúčinnosti pohonu.Který je výstupní parametr pro konstrukční návrh pruţinového vyvaţovacíhosystému?Konstanta tuhosti pružiny.Jak je definováno λ při vyváţení rotační pohybové jednotky PVS (pruţinovýmvyvaţovacím systémem?V hodnotách měrného výkonu a rozsahu regulace otáček.Kterých základních vlastností Archimedovy spirály vyuţijete pro vyváţenímanipulátoru robotu?Změny poloměru (ramena momentu) při otáčení vačky s Archimedovouspirálou.Jak je definována kvalita vyváţení?Jako hodnota θ=1- (poměr absolutní hodnoty zlomku v jehož čitateli je součetmomentu z nevyvážení tíhových účinků vlastních hmot konstrukce a momentuvyvažovacího systému a ve jmenovateli parametr nevyváženíJak se liší pantograf od paralelogramu?Parelelogram má protilehlé strany stejně dlouhé, pantograf má některé zestran prodlouženy za klouby původního paralelogramu.Z čeho vychází stanovení délek na pantografu?Z podobnosti trojúhelníků vzniklých nad pracovní přímkou a jejími úseky (3trojúhelníky).225

Klíč k řešeníO 2.2-3O 2.2-4O 3.1-1O 3.1-2O 3.1-3O 3.1-4O 4.1-1O 4.1-2O 4.1-3O 4.1-4O 4.2-1O 4.2-2Které jsou základní parametry pro návrh pantografu?Převodový poměr i a konstrukční parametr λ a předepsaný pracovní prostor.Z čeho se vychází při návrhu efektoru?Z poznatků o objektu manipulace, použitém robotu a o manipulační činnosti.Blok 3Proč se u akčního systému provádí přednostně deformační výpočet prvků?Pro dosažení požadované přesnosti polohování musí být minimalizoványdeformace, pak následný výpočet pevnostní vykazuje předimenzování naddovolené hodnoty napjatosti.K čemu slouţí následný pevnostní výpočet?Protože jde o manipulační zařízení kde jde o bezpečnost obsluhy a případnépoškození okolních zařízení, musí být doloženo výpočtem, že robot je bezpečněnavržen.Jaký má dnes význam analytický výpočet?Získané vztahy a relace mezi parametry mají širší výpovědní hodnotu aumožňují předpovědi pro budoucí návrhy podobných konstrukcí – vytvářejízáklad pro tzv know how.O co jde při funkčním výpočtu?Dokladuje kvalitu funkcí zařízení odvozenou ze vstupních parametrů pro návrh.Blok 4Co je to servisní činnost?Každá činnost, která má servisní (nevýrobní) charakter, ať již pro obsluhutechnických systémů (údržba), nebo lidí (regenerace, obsluha imobilních osob).Jaké struktury pro návrh robotu potřebujeme zpracovat z analýzy servisníchčinností?Funkční a orgánové struktury.Co to jsou S křivky a k čemu slouţí?Vyjadřují aktuální kvalitu dané konstrukce po stránce ekonomické i technické.V průběhu životnosti se hodnocení, při zlepšování konstrukce v obou kritériíchposouvá ke 100 %.O co jde při funkčním výpočtu?O průkaz funkčnosti zařízení dodržením požadovaných rozhodujícíchparametrů.Uveďte základní poţadavky a kritéria pro návrh průmyslových robotů?Kompaktnost, přesnost, tuhost, rychloběžnost.Ze kterých parametrů vychází funkční výpočet servisních robotů?Podle typu servisní činnosti takových parametrů, které jsou odvozeny z kvality226

Klíč k řešeníO 4.2-3O 4.2-4O 4.3-1O 4.3-2O 4.3-3O 4.3-4O 4.3-5O 4.3-6O 5.1-1prováděné činnosti (technologie – např.: rychlost provedení, hmotnostmanipulovaného objektu, dosažitelnost potřebných poloh, aj.)Jaké jsou principy maticového výpočtu sil a chyb modulárních robotů?Pro předběžný návrh se vychází ze souřadných systémů umístěných v kloubechse vzájemně rovnoběžných os ve všech kloubech robotu a z transformace složeksil a momentů mezi jednotlivými souřadnými systémy. V maticích lze snadnoidentifikovat které účinky jsou nejnepříznivější a je nutné se jimi zabývat.Jak lze této metody uţít k vytvoření know how?Pro jednotlivé typy robotů lze provést předběžné sestavení matic a posouditvhodnost jejich užití i se závěry k jednotlivým vlivům na konstrukci ex ante.Jaký je význam trimovacího koeficientu?Ukazuje směr potřebného zkvalitňování konstrukce.Jak konkrétně stanovíte trimovací koeficient??Hodnocení kvality a úrovně funkcí dělíme hodnocením vzniklých obtíží(problémů při návrhu i realizaci) a vynaložených nákladů.Co je Manaţer problémů?Po analýze produktu pomocí trimovacího koeficientu získáme pořadí prvků,kterými je nutné se zabývat při optimalizaci konstrukce a při dalším vývoji. Kezlepšení konstrukce Manažer problémů doporučuje využití modulů syntézyTechOptimizeru.Na čem je postavena analýza produktu?Na hodnocení vztahů (působení mezi jednotlivými prvky konstrukce). Podlestupně poznání konstrukce lze použít pojmů fuzzy logiky (moc, málo, více, aj.)až po funkční (matematický) nebo grafický popis více či méně přesnýchzávislostí.Na čem je postaven modul Efekty?Na znalosti zákonů a zákonitostí jednotlivých vědních disciplinCo je Altšulerova matice?Na základě analýzy mnoha patentů a vynálezů byly zjištěny obecnější relacemezi parametry objektů, pro řešení technických systémů, jde-li o tzv. technickérozpory (problémy), tj. takové kdy víme jak zlepšit určitý parametr konstrukceovšem jen na úkor jiného, který se zhorší. K tomu jsme schopni najítv Altšulerově matici tzv. princip(y) – tj. doporučení jak to na základězkušeností provést.Blok 5Jak získáte informace o podobných jiţ řešených problémech?GFI poskytuje přes svůj vyhledávač vlastní databáze, ze kterých lze tytopoznatky extrahovat buď pomocí klíčových slov nebo přesněji pomocípoloženého dotazu v tzv. přirozeném jazyce.227

Klíč k řešeníO 5.1-2Jak se formulují otázky pro zkoumání dosaţitelných informací?Pomocí položeného dotazu v tzv. přirozeném jazyce. Např.: Jak zvýšit tuhostrobotu? Otázka musí být položena v angličtině.O 5.1-3O 5.1-4O 5.2-1O 5.2-2Co je jádro problému?Mnoho v praxi řešených problémů identifikovaných v technických systémechlze řešit v různých úrovních řetězce, vytvořeného odpověďmi na otázku pročtento problém vznikl(?), čímž se posuneme k řešení problému v jiné úrovni, aleřešíme i problém původně definovaný. Jestliže jsme u jádra věci nedokážemejiž získat další odpověď na otázku proč.Co jsou pracovní postupy GFI?Pracovními postupy rozumíme předpis kroků při řešení technického problému,které využívají jednotlivých modulů programu GFI tak jak jsou připravenypřímo v programu nebo upraveny z těchto modulů uživatelem.Jak přejdete od modelu konstrukčního uzlu ve 2D nebo 3D k výpočtovémumodelu?Výpočtový model získáme z konstrukčního modelu zjednodušením najednočárovou skicu se zakótovanými působišti silových účinků.Z čeho sestává maximální zatíţení profilu ramene vybrané pohybové jednotky?Maximální zatížení profilu ramene konkrétní pohybové jednotky (platí propohybovou jednotku v obr. 5.2.2-17) zahrnuje:dynamické a statické účinky od následujících částí konstrukce horníhoramene včetně objektu manipulace,vlastní tíhu nosného profilu,proměnné spojité zatížení od pohybu nosného profilu (v důsledkutranslačního zrychlení),dynamický moment od pohybu nosného profilu(v (v důsledku úhlového zrychlení).228