Çok Robotlu Endüstriyel Otomasyon

Dr. Dilek Bilgin Tükel (Altınay Robotik ve Otomasyon A.Ş.)

Endüstriyel robot çağı 1954 yılında George Devol'ün geliştirdiği endüstriyel amaçlı robot kolu için patent almasıyla başlar.

1960'larda robotların kullanımıyla dünya endüstrisi etkileyici bir döneme girer. Tehlikeli, kirli ve tek düze işler için güvenli bir alternatif olan robotlar, endüstrinin vazgeçilmez işçileri olur.

Robotlar, üretimi artırırken zamanı kısaltır, maliyeti düşürürken kaliteyi yükseltir. Bu da robot nüfusunun artmasına neden olur. Birleşmiş Milletler (UN) ve Uluslararası Robot Federasyonu (IFR), istatistiklerine göre 1970-1996 yılları arasında 860,000 robot satılmıştır, bugün dünyada 680,000 robotun kullanımda olduğu biliniyor.

Bu robotlar başlıca kaynak, boyama, montaj ve malzeme transferi uygulamalarında kullanılmaktadır. Gelecek vaat eden robot uygulama alanlarından başlıcaları:

*  Servis robotları: tamir, temizlik, güvenlik ve sağlık sektörü için geliştirilmiş,

*  Demontaj robotları,

*  Özel çevre koşullarına uyumlu robotlar,

*  Karmaşık iş parçalarının işlenmesidir.

Robotların tarihsel gelişimi ve robota ihtiyaç gösteren uygulama alanları ışığında, yeni nesil robot sistemlerinin çok robotlu, paralel yapılı, çok parmaklı eller ve yürüyen makineler içeren mekanizmalar olacağı açıktır.  

Bu yazının amacı çok robotlu sistemleri tanıtmak ve potansiyel uygulama alanlarını ve avantajlarını okuyucuya anlatmaktır.

Montaj ve üretim sektörü çoklu robot sistemleri için potansiyel uygulamalar içerir. Bu uygulama alanlarını üçe ayırabiliriz:

*  Robotlar prosesi paylaşır. Eğer bir robot çalışamazsa, diğerleri onun görevini paylaşır. Bu da üretime güvenlilik ve hız getirir.

*  Robotlar uygun parçaları monte eder veya monte edilmiş parçaları söker. Her robot kolu değişik bir yük taşır. Karmaşık montajlar iki robot kolu ile daha kolay yapılabilir. Bu uygulamalar için kuvvet denetimi ve seziciler gerekir.

*  Robotlar ortak bir obje ile çalışır. Ağır, esnek veya uzun yükleri taşımak birden fazla robot gerektirir. Kuvvet denetimi ve seziciler gereklidir.

1. Proses Paylaşımı

Robotlar kendileri için tanımlanmış olan görevleri yaparlar. Herhangi bir robotta bir sorun çıktığında, sorunlu robotun görevi diğerleri tarafından üstlenir. Bu esnek ve güvenli sistem sayesinde üretim, donanımdan kaynaklanabilecek sorunlarda bile durmaz. Sorunlu robot servisteyken, üretim devam eder.

1997 yılında Altınay Robotik ve Otomasyon A.Ş. tarafından, Şişe Cam A.Ş. için geliştirilen çok robotlu otomasyon sistemi, proses paylaşımı için ülkemizdeki sayılı örneklerdendir. Bu sistem yapı malzemesi cam tuğlaların etrafının boyanması amacıyla kurulmuştur. Sistem, soğutma sonu konveyöründen tuğlaları alan "Tuğla Besleme Sistemi", malzeme taşıma konveyörleri, Tuğla devirme sistemi ve SCARA tipi 40kg yük taşıma kapasiteli beş eksenli iki robottan oluşmaktadır. Çok robotlu tuğla boyama sisteminde robotlar işi paylaşır. Herhangi bir arıza sonucu veya temizlik için robotlardan biri durursa, diğer robot onun görevini de yüklenir. Sistemin genel görünüşü Şekil 1 ve 2'de verilmiştir.

* Tuğla soğutma konveyörü (1) 6 saniyede bir tuğla verecek kapasitededir.

* Tuğla besleme sistemi(2) pnömatik el yardımıyla tuğlaları soğutma sonu konveyöründen alır, yüksekliğini ve yönünü ayarlayarak besleme konveyörüne(4) aktarır.

* Arıza olduğunda tuğlalar, ara bir bölgede(3) toplanır. Arıza giderildiğinde biriken tuğlalar tekrar tuğla besleme konveyörüne aktarılır.

* Tuğla besleme sisteminin sonundaki tuğla devirme sistemi(5) tuğlaların pozisyonlarını değiştirerek tuğla verme konveyörüne aktarır.

* Bu konveyör üzerinde tuğlalar merkezlenir(6)(7) ve verme sistemi tarafından, ikişer tuğla robot ellerine verilir.

* Robotlar, ellerindeki tuğlalarla boyama kabinine(8) gider. Boyama işlemleri tamamlandıktan sonra robot boya kabininden çıkar ve tuğlaları kurutma fırın konveyörüne(9) bırakır.

Robotlar ve elleri, yukarda tanımlanan işi yapabilmek üzere tasarlanmıştır. Seçilen mimari ve kol uzunlukları, robota geniş bir çalışma uzayında çalışabilme yeteneği sağlar. Her robot 5 eksenlidir.

İlk iki eksen x-y düzleminde konumlanmayı, 3. eksen oryantasyonu, 4. ve 5. eksenler ise tuğlaların merkezleri etrafında döndürülmesini sağlar. Eksenlerin konumlan artımlı enkoderlerle okunur. Robotların maksimum yük taşıma kapasitesi 40 kg'dır.

Pozisyon tekrarlanabildiği ise 0.5 mm'dir. Her eksen fırçasız AC servomotor ile sürülür. Robot denetleyicisi, robotun izlemesi gereken yörüngeyi öğretmek, kontrol etmek, sıfırlamak, giriş/çıkışları kontrol etmek ve değiştirmek, tuğla aktarma hattı ile koordinasyonu sağlamak üzere tasarlanmıştır.

2. Etkileşimli İş Paylaşımı

Bir robot çevre ile etkileşimsiz çalışıyorsa pozisyon denetimiyle denetlenmesi uygundur. Eğer, ortam ile temas etmesi gerekiyorsa veya iki robot birlikte bir yük taşıyorsa tek başına pozisyon denetimi yetersizdir. Bu durumda robotun ortama veya taşıdığı objeye uyguladığı kuvvetinde denetlenmesi gerekir. Sistemin pozisyon ve kuvvet hatalarına cevap vermesi bu hataların robot denetiminidirekt olarak sürmesi ile mümkündür.

Kuvvet denetimi, 1950'lerde nükleer santralde çalışmak üzere tasarlanan yapay bir kol ile başlar.

Bugün artık endüstride de uygulamalar var olmakla birlikte halen yeterince yaygın değildir. Kuvvet denetimlerini uygulama ve denetim stratejileri bakımından şu şekilde özetlenebilir:

* Uygulama Stratejileri

* Metod I: Robotun yörüngesi sezilen kuvvetlerin geri beslemesine göre değiştiren algoritmalar bu gruba dâhildir.

* Metod II: Sezilen kuvvetlerin değerine göre, robot motorun momentini değiştiren denetim algoritmaları bu gruba dâhildir.

* Denetim Stratejileri

* Empedans Denetimi: Robot ortamla temas edince mekanik bir empedans gibi davranır. Hareket girdisine kuvvet üreterek cevap verir.

* Karma Kuvvet/Pozisyon Denetimi: Denetim kuvvet ve pozisyon kontrol yönlerin ayrılmasıyla başarılır. Pozisyon kontrollü yönler, pozisyon denetim algoritması ile kuvvet denetimli yönler, kuvvet denetim algoritması ile denetlenir.

Çoklu robot sistemlerinin en önemli avantajı bize kinematik ve dinamik çok seçimlilik sunmasıdır.

* Kinematik artıklık: robotun özerklik derecesi yapacağı işinden fazla olmasıyla tanımlanır. Eğer iki robot ortak çalışıyorsa ve her ikisi arasında göreceli hareket tanımlanmışsa, bu kinematik çok seçimliliği doğurur.

* Dinamik çok seçimlilik ise kapalı kinematik zincirlerde görülür, sistemin paralelliği birden fazla motorun aynı özerkliğe katkıda bulunması şeklinde açıklanabilinir. İki robot ortak bir yük taşıdığında bu özellik açıkça görülür. Bu yük iki robot arasında birçok şekilde paylaşılabilinir.

Çok Robotlu Montaj

Bu uygulamada her robot kolu ayrı bir parça taşır. İki robotun elleri arasında göreceli harekete göre yörünge planlaması yapılacaksa kinematik artıklık kullanılarak robotların tekil noktalardan uzak kalması, engellerden korunması, mümkün oldukça ortak çalışma alanın merkezinde kalmak gibi kriterlerin hesaba katılarak çözüm bulunması sağlanır. Çapak alma, kaynak, yapıştırma gibi uygulamalarda bu özellikler büyük avantaj sağlar.

Ortak Obje İle Çalışmak

Ortak bir obje ile çalışan çoklu robot sistemleri kapalı kinematik zincir oluştururlar. Yukarda belirtildiği gibi bu özellik bize dinamik çok seçimlilik sağlar. Bu sistemlerde yörünge planlaması üç aşamada yapılır.

1- Objenin, istenilen son konuma ulaşması için uzayda izlemesi gereken yörünge hesaplanır.

2- Ters kinematik kullanılarak robotların, eksen açılarının yörünge boyunca ne olması gerektiği hesaplanır.

3- Objenin dinamiğinin getirdiği yük, robotlar arasında paylaştırılır.

3. Aşama, obje, eklem ve operasyon seviyesinde çözümlenebilir. Obje seviyesindeki kriterler objenin yüzeyindeki temas kuvvet/momentlerin büyüklüğünün en aza indirgenmesi, iç kuvvetlerin en aza indirgenmesi veya belirli değerde tutulması şeklindedir.

Eklem seviyesindeki çözümlerde robot motorlarının kısıtlamaları, robotların maksimum yük taşıyabilme kapasiteleri, toplam motor tork değerlerinin en aza indirgenmesi veya motor tork değişim değerlerin en aza indirgenmesi amaçlanır. Operasyon uzayında obje ve robotlar birlikte modellenir, sistemin kinetik enerjisinin en aza indirgenmesi, her robotun işlem sırasında minimum efor harcaması gibi kriterler bu sınıfa dâhildir.

Sonuç

İnsan yaşamındaki paylaşma, yardımlaşma ne kadar önemliyse ve ilerlememizin başlıca nedeniyse, otomasyon sistemlerinde de ortak çalışma ve işi paylaşma ileri teknolojinin göstergesidir. Çok robotlu sistemleri, kontrol sistemlerinin donanım ve yazılım gücü arttıkça ve endüstriden daha esnek, daha güvenilir çözümler için talepler geldikçe daha yaygın olarak göreceğiz.

Kaynak: Tükel, Dilek Bilgin., "Çok Robotlu Endüstriyel Otomasyon", Otomasyon Dergisi, Şubat 1999, syf. 32-35

Alıntı referansı: Tükel, Dilek Bilgin., "Çok Robotlu Endüstriyel Otomasyon", /sayfa/Dilek_Bilgin-Cok_Robotlu_Endustriyel_Otomasyon.html , Temmuz 2007

Arama önerileri: çok robotlu otomasyon sistemi, robotik sinerji, proses paylaşımı, otomasyon, çoklu robotlar, altınay robotik,

© 2000-2008
ilker Fıçıcılar
F.U.E.L
Bilim
www . Bilim Bilmek . com