การศึกษาการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม (Robot Kinematics)

บทความนี้มาดูความหมายของการศึกษาการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม หรือ จลศาสตร์ของหุ่้นยนต์ หรือ Robot Kinematics กันครับ ในการวิเคราะห์ kinematics นั้น ตำแหน่ง ความเร็ว และความเร่งของทุกก้านโยง (Links) ของหุ่นยนต์สามารถคำนวณได้โดยไม่พิจารณาแรงที่เกิดจากการเคลื่อนที่ ความสัมพันธ์ระหว่างการเคลื่อนที่ แรงที่เกี่ยวข้อง และแรงบิด จะถูกศึกษาในส่วนพลศาสตร์ (Dynamics)

Robot Kinematics เป็นยังเกี่ยวกับการศึกษาในแง่ของการเคลื่อนที่ที่ซ้ำซ้อน การหลีกเลี่ยงการชน และการหลีกเลี่ยงตำแหน่งที่หุ่นยนต์ไม่สามารถเึคลื่อนที่ได้ ในการศึกษา Kinematics ของหุ่นยนต์ เราจะให้แต่ละส่วนของหุ่นยนต์เป็น Frame ดังนั้น การศึกษาการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ ซึ่งมีหลายก้านโยงเชื่อมกัน จึงเป็นการศึกษา Frame แต่ละ Frame ที่เคลื่อนที่ต่อกัน เช่น ก้านโยงที่ 1 ต่อกับเบส ก้านโยงที่ 2 เชื่อมโยงกับก้านที่ 1

Robot Kinematics จะแบ่งเป็น 2 ประเภท คือ

1. Forward Kinematics หรือบางครั้งแรกว่า Direct Kinematics : ความยาวของแ่ต่ละก้านโยง (Links) และมุมของแต่ละข้อต่อจะถูกกำหนดมา เราสามารถคำนวณตำแหน่งต่างๆของปลายแขนหุ่นยนต์ได้ จากมุมและความยาวก้านโยงที่กำหนดมานี้

2. Inverse Kinematics : ความยาวของแต่ละก้านโยงและตำแหน่งเป้าหมายของหุ่นยนต์ถูกให้มา เราสามารถคำนวณมุมแต่ละมุมได้จากตำแหน่งเป้าหมายเหล่านั้นภายในพื้นที่การทำงานของหุ่นยนต์ วิธีนี้สามารถประยุกต์ใช้คำนวณสำหรับงานในลักษณะต่างๆ เช่น การหยิบจับวัตถุที่มีตำแหน่งเปลี่ยนแปลงบ่อย

ในการวิเคราะห์หุ่นยนต์ ลักษณะทางกายภาพของหุ่นยนต์สามารถอธิบายในรูปของ Kinematic Diagram ส่วนวิธีที่ใช้ในการคำนวณหรือการกำหนดตัวแปรต่างๆ มีหลายวิธี เช่น Denavit-Hartenberg, การแปลงทางเรขาคณิต และวิธีทางพีชคณิต เป็นต้น

Top Three Robot Text Book (Modeling, Analysis, and Control )

These are three robotic textbook which were online bestseller. These were also used in more and more class because there are clear concepts.

First of all; Robotics: Modelling, Planning and Control , Bruno Siciliano and others

Robotics-Modelling-Planning-Control

The classic text on robot manipulators now covers visual control, motion planning and mobile robots too!

Robotics provides the basic know-how on the foundations of robotics: modelling, planning and control. The text develops around a core of consistent and rigorous formalism with fundamental and technological material giving rise naturally and with gradually increasing difficulty to more advanced considerations.
The theory of manipulator structures presented in the early part of the book encompasses:
• the fundamentals: kinematics, statics and trajectory planning; and
• the technology of actuators, sensors and control units.
Subsequently, more advanced instruction is given in:
• dynamics and motion control of robot manipulators;
• mobile robots;
• motion planning; and
• interaction with the environment using exteroceptive sensory data (force and vision).

More Detail…

Second; Robot Modeling and Control, Mark W. Spong

Robot Modeling and Control

Key Features

* A step-by-step computational approach helps you derive and compute the forward kinematics, inverse kinematics, and Jacobians for the most common robot designs.
* Detailed coverage of vision and visual servo control enables you to program robots to manipulate objects sensed by cameras.
* An entire chapter on dynamics prepares you to compute the dynamics of the most common manipulator designs.
* The most common motion planning and trajectory generation algorithms are presented in an elementary style.
* The comprehensive treatment of motion and force control includes both basic and advanced methods.
* The text’s treatment of geometric nonlinear control is more readable than in more advanced texts.
* Many worked examples and an extensive list of problems illustrate all aspects of the theory.

More Detail . . .

Finally; Theory of Applied Robotics: Kinematics, Dynamics, and Control, Reza N. Jazar

apply-robot

Theory of Applied Robotics: Kinematics, Dynamics, and Control is appropriate for courses in robotics that emphasize kinematics, dynamics, and control.

The contents of this book are presented at a theoretical-practical level. It explains robotics concepts in detail, concentrating on their practical use. Related theorems and formal proofs are provided, as are real-life applications. Students, researchers, and practicing engineers alike will appreciate this user-friendly presentation of a wealth of robotics topics, most notably orientation, velocity, and forward kinematics.

Theory of Applied Robotics: Kinematics, Dynamics, and Control includes:
-Richly illustrated chapters and over 200 diagrams to help readers visualize concepts.
-More than 300 detailed examples with fully-worked solutions which expose readers to a balanced and broad understanding of robotics in today’s world.
-A wealth of detailed problem sets and challenge problems for each chapter for the more advanced reader.
-A rich solutions manual which is available for instructors.

More Detail . . .

Best Industrial Robot Textbook

I recommended the two classical textbook in Industrial Robot being of 1)  Fundamentals of Robotics: Analysis and Control Robert J. Schilling 2) Introduction to Robotics: Mechanics and Control (3rd Edition) John J. Craig. I had learned more from these books in doing my project, Robot Vision Development.

Fundamentals of Robotics: Analysis and Control Robert J. Schilling

Fundamentals of Robotics: Analysis and Control

Product Description

A complete overview of the fundamentals of robotics. Case study examples of educational, industrial and generic robots are discussed. Class demonstration software is provided with the laboratory manual. (vs. Craig, Fu, and Asada).

Buy : Fundamentals of Robotics: Analysis and Control

Introduction to Robotics: Mechanics and Control (3rd Edition) John J. Craig

Introduction to Robotics: Mechanics and Control

Product Description

Now in its third edition, Introduction to Robotics by John J. Craig provides readers with real-world practicality with underlying theory presented. With one half of the material from traditional mechanical engineering material, one fourth control theoretical material, and one fourth computer science, the book covers rigid-body transformations, forward and inverse positional kinematics, velocities and Jacobians of linkages, dynamics, linear control, non-linear control, force control methodologies, mechanical design aspects and programming of robots.

Buy : Introduction to Robotics: Mechanics and Control (3rd Edition)

Serial Robot VS Parallel Robot

หุ่นยนต์อุตสาหกรรมที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน จะมี 2 ประเภทใหญ่ๆ ครับ นั่นคือ แบบอนุกรม (Serial Robot) และแบบขนาน (Parallel Robot) บทความนี้เรามาดูความหมายและความแตกต่างของหุ่นยนต์ 2 ประเภทนี้แบบสรุปกันครับ

หุ่นยนต์อุตสาหกรรมแบบอนุกรม (Serial Robot)
Serial Robot เป็นหุ่นยนต์ที่เราเห็นกันค่อนข้างบ่อยครับ มีโครงสร้างคล้ายแขนมนุษย์ โดยเป็นการเชื่อมโยงระหว่างวัตถุแข็งเกร็งประกอบขึ้นมาเป็นเอว ไหล่ ข้อศอก แขน และ มือ ข้อต่อที่ใช้ในการเชื่อมต่อระหว่างแต่ละ link จะมี 2 ประเภท คือ 1) ข้อต่อเคลื่อนที่ในเชิงเส้น (Prismatic Joint) เป็นข้อต่อที่เคลื่อนที่ได้ตามแนวแกน XYZ  2) ข้อต่อเคลื่อนที่แบบหมุน (Revolute Joint) ข้อต่อนี้จะเป็นการหมุนในลักษณะเชิงมุนหรือหมุนเป็นค่าองศา พื้นที่การทำงานก็จะขึ้นอยู่กับรูปแบบของหุ่นยนต์แต่ละตัว เช่น มีพื้นที่การทำงานเป็น ทรงกลม ลูกบาศก์ เป็นต้น
ข้อดี
- มีพื้นที่การทำงานที่ใหญ่ตามขนาดของตัวหุ่นยนต์
ข้อเสีย
- รับน้ำหนักของภาระงานได้น้อยกว่า Parallel Robot
การประยุกต์ใช้งาน
การใช้งานที่เห็นได้ชัด คือ อุตสาหกรรมรถยนต์ เช่น งานการพ่นสี การเคลื่อนย้ายตัวถัง การเชื่อม เป็นต้น

Robot Arm

หุ่นยนต์อุตสาหกรรมแบบขนาน (Parallel Robot)
Parallel Robot เป็นหุ่นยนต์ที่มี link ในการทำงานตั้งอยู่บนฐานเดียวกันมากกว่า 1 link โดยมีหน่าที่การทำงานในจุดเดียวกัน ข้อต่อที่ใช้ในการเคลื่อนไหวมี 2 ลักษณะเหมือนกับ Serial Robot
ข้อดี
-มีความแม่นยำ เที่ยงตรง มีการทำงานที่รวดเร็ว สามารถรับภาระงานหนักได้
ข้อเสีย
-พื้นที่การทำงานมีการจำกัด และการคำนวณการเคลื่อนที่ทางจลศาสตร์ (Robot Kinematics) ยากกว่า Serial Robot
การประยุกต์ใช้งาน
- ที่เห็นได้ชัดคือ อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ เช่น การประกอบแผงวงจร เป็นต้น

Parallel Robot