Pomiary Automatyka Robotyka 1/2018

PAR P O M I A RY • A U T O M AT Y K A • R O B O T Y K A

1/2018 ISSN 1427-9126 Indeks 339512

Cena 25,00 zł w tym 5% VAT

Technical Sciences Quarterly | 3

$

4

W numerze:

3 5 11

Od Redakcji

!"#

$ %

&

& '( &

19

!

25

!

31

) *) & +

) , - ! . /0 -,

) *) & +

) , - ! . #0 12

" # $ %

3

!

% ! & Informacje dla Autorów – 75 |

79 | Kalendarium – 83 | 15. Krajowa Konferencja !

84 |

"

#$ %

%

86 | &

&

$' $ ()*+

87 |

"

, -

!

- $

88

Rada Naukowa Rok 22 (2018) Nr 1(227) ISSN 1427-9126, Indeks 339512

9 $ ! @ <

% A !

Redaktor naczelny

3 :

U V * W X Y

*+ . / :

5 6 &

- ; H C H *

% Z

! #+ ; :

1< &

= >

E U V * @ X= Y

5 7

? & @< < U V * < XE Y

! #+ < :

*+ = ; >

*+ * ! #+ ; : > !

? ; @ A ! > !

B

*+ > ;

*+ . / : > $

) 8 ,

) A

% H @ % %H@%

$ A

, < E ! U [ V XU Y

@& . A % : # / ! \] B

C

9 - 3 ,

% H * % X% ; Y

Druk

9 3 [ ! U V X Y

/ ! = D + + + E ! FGG ; +

Wydawca

$ 3

! H # % ! %

=

+ 3

U V * % X= Y

% H @ J% %H@% @ + KGK GKLMOF

Kontakt !

L ; % @ $ @ + KGK GKLMOF

+ KK OPM GQ MF T + + +

9

B

! / ! % <

: $ B < < H * .

X Y

) , . ,

^[V V % _ E U V XU Y

1 & 4 ! H # / ! # C ; / !

9 )'

.

U V X ! Y

4

) , . ! ` U V X < Y

Pomiary Automatyka Robotyka L $ L

! QaaP + % QO B B + @ !

J

!

L$ !

$ ; +

L % @ $ ! J $ <@/ C." = ;

HEbCc .\%C EH.U XH.f KGQF& Pg KMY

# J$ $ # @ H@E @+ % E $ O X + QKMMY+ % B ! ! \ E ! B $ $ J L % @ $ +

X * Y

+ U! B # B %@ bH=H @[ > B

! ] +

)

! H # % ! [ ; % \ : & )

@ < > H * @ ! ; < = $" XE Y

1 & C E

! ; % Z

. F< V @ ! * X Y

A

- , E H H *

@ $ %

,

H U V

$ X@ Y

1 & - =

^ V % _ E U V XU Y

% @ $ H E QMKPLaQKF + KK E Q?KGQO

3

Od Redakcji

5

!"# * * ! ;

; ! *

* h

$ [+ ;

11

$ %

&

& '( &

% * @ * b L@i

;

19

!

) *) & +

) , - ! . /0 -,

U ! $ # ! ! ! ! > B]j Q&

25

!

) *) & +

) , - ! . #0 12 U ! $ # ! ! ! ! > B]j Q&

31

" # $ %

4

!

C > ! ; !

37

@ ! @!

E 5

. & .

.

$ ! $ * % ; ! % ! H !

M+G

43

@ ! @+ b f+ / ; [+

6

$+ " $ ! ! * ! U " ; L%

@. < !;

49

/ ; [+

+ / $ 1 7 , 7

, '

8.449 C * !

* ! *

! $ $ i ! X% Y

57

H;

/$ ; 4 :

!

*

; !

Q

%H CZ.H

K

59

/$ ; %

%

/ : 4 ( % &

7 7 ' , 7( , ,

& , 7 , , %

% $ *

! * $ V $ V * ; ; ! !

67

A ;

! ,

% 7 , 4<. * > $ > !

! ; ! C

=>

? $ 7

79

!

@ 7( .

B @

"C

@

84

* l / !m /> @ @ D

86

% # -, )

)

87

* l / !m ? ? .,E

, # /"

88

% # . &

7

,

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;¢

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;¢

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

\b Cb@ . H

W tym numerze kwartalnika naukowo-technicznego Pomiary Automatyka $ ! ; !

$ ! : $

$

+ U ;B ! ! *

! +

$ !

; ! ! ! $ % M+G+ b # ]j ]

$ $ ] !

$ +

; ! $ ! $

! B$ $ !m ] ! ] + H

!

! ! !

B# ! $ ! ; $ #

; $ +

! ! ; ! ! # ; ; * B * ]j ; + % !

# !

; ; !

! ! ; ! + % !

+ % ! !

!B ;

!

+ % ! $

] ] ] ! ; ! $ ! $ !

! + % ! ;

# ! * !B$ ! ! Bj + ! B # ; ! % : + Â&#x192; +

Redaktor naczelny kwartalnika Pomiary Automatyka Robotyka

*+ ! $+ #+ . / :

3

M

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 22, Nr 1/2018, 5â&#x20AC;&#x201C;10, DOI: 10.14313/PAR_227/5

/ " 0 Quercus robur L% 46&7.,& " Jan Kotlarz, Mariusz Kacprzak, Karol Rotchimmel 8 ; < " < = ( " > % ( **&?**, &,@,A6 /

0

# 8 B ; C ; B ; $ &A@&+&

Streszczenie: Jednym z objawĂłw zamierania drzewostanĂłw dÄ&#x2122;bowych w Europie jest wysoka defoliacja obserwowana u drzew o sĹ&#x201A;abej zdrowotnoĹ&#x203A;ci. Na potrzeby corocznego monitoringu dotkniÄ&#x2122;tych patogenem Phytophtora powierzchni badawczych projektu HESOFF w ZakĹ&#x201A;adzie Teledetekcji Instytutu Lotnictwa podjÄ&#x2122;to prĂłbÄ&#x2122; wytworzenia metodyki oceny defoliacji za pomocÄ&#x2026; lotniczych zdjÄ&#x2122;Ä&#x2021; wielospektralnych. W tym celu w lipcu 2015 r. za pomocÄ&#x2026; Platformy Wielosensorowej QUERCUS.6 wykonano zdjÄ&#x2122;cia lotnicze badanego kompleksu leĹ&#x203A;nego (zakres 0,46â&#x20AC;&#x201C;0,82 Îźm).

Na podstawie zdjÄ&#x2122;Ä&#x2021; wykonano pomiar reflektancji dla kaĹźdego z badanych dÄ&#x2122;bĂłw oraz porĂłwnano pozyskane w ten sposĂłb dane radiometryczne z ocenionym metodÄ&#x2026; tradycyjnÄ&#x2026; poziomem defoliacji.

Na podstawie uzyskanych korelacji wykazano, Ĺźe pomiar defoliacji jest moĹźliwy przy zastosowaniu kanaĹ&#x201A;Ăłw optycznych: 0,46â&#x20AC;&#x201C;0,52 Îźm oraz 0,67â&#x20AC;&#x201C;0,82 Îźm. Wykazano ponadto, Ĺźe do poprawnego pomiaru defoliacji zaproponowanÄ&#x2026; w tym artykule metodÄ&#x2026;, konieczne jest uwzglÄ&#x2122;dnienie typu podszytu, ktĂłry ma decydujÄ&#x2026;cy wpĹ&#x201A;yw na obserwowanÄ&#x2026; reflektancjÄ&#x2122;. )

0 D E #>F 0

1. Wprowadzenie Defoliacja jest powszechnie rozumiana jako redukcja powierzchni asymilacyjnej drzewa w stosunku do wzorcowego drzewa o peĹ&#x201A;nym ulistnieniu i porĂłwnywalnych warunkach Ĺ&#x203A;rodowiskowych. SzerokoĹ&#x203A;Ä&#x2021; podstawowego przedziaĹ&#x201A;u oceny defoliacji metodami tradycyjnymi wynosi 5%, a zgodnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; jego wizualnej oceny przez niezaleĹźnych obserwatorĂłw jest niewielka. ZastÄ&#x2026;pienie wizualnej oceny defoliacji przez technikÄ&#x2122; opartÄ&#x2026; na wykorzystaniu metod teledetekcyjnych jest zatem zasadne z dwĂłch powodĂłw: moĹźliwoĹ&#x203A;ci zautomatyzowania pomiaru defoliacji oraz ujednolicenia sposobu jej oceny [23]. W ramach prowadzonego w Instytucie Lotnictwa oraz Instytucie Badawczym LeĹ&#x203A;nictwa projektu HESOFF defoliacja jest stosowana jako jeden z parametrĂłw oceny zdrowotnoĹ&#x203A;ci poraĹźonych patogenem Phytophtora dÄ&#x2122;bĂłw szypuĹ&#x201A;kowych [3, 17]. Pozytywna korelacja miÄ&#x2122;dzy defoliacjÄ&#x2026; a obecnoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; tego

$

' 0 ' ( % ) % % $

*+%*,%,&*- % &,%&,%,&*. %

! "" # $%&

patogenu byĹ&#x201A;a wielokrotnie juĹź wykazywana [4], zatem majÄ&#x2026;c na celu wypracowanie metodyki zdalnego oznaczania zdrowotnoĹ&#x203A;ci naleĹźy uwzglÄ&#x2122;dniÄ&#x2021; w niej teledetekcyjnÄ&#x2026; ocenÄ&#x2122; defoliacji.

Do chwili obecnej w zdalnej ocenie defoliacji stosowano róşnorodne metody. JednÄ&#x2026; z najpowszechniej stosowanych jest analiza regresji indeksu LAI (ang. Leaf Area Index). W celu analizy tego wspĂłĹ&#x201A;czynnika uĹźywane sÄ&#x2026; technologie skaningu laserowego ALS (ang. Airborne Laser Scanning) [20] i analiza zdjÄ&#x2122;Ä&#x2021; satelitarnych, np. MODIS [19]. MetodÄ&#x2122; opartÄ&#x2026; na fizycznym modelowaniu reflektancji poszczegĂłlnych komponentĂłw lasu w poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeniu z zastosowaniem sieci neuronowych stosuje siÄ&#x2122; do pomiaru generalnego stopnia defoliacji caĹ&#x201A;ych kompleksĂłw leĹ&#x203A;nych StanĂłw Zjednoczonych [24]. Do pomiaru defoliacji na poziomie subpikselowym prĂłbuje siÄ&#x2122; rĂłwnieĹź stosowaÄ&#x2021; analizÄ&#x2122; czynnikowÄ&#x2026; zdjÄ&#x2122;Ä&#x2021; wielospektralnych wykonanych przez instrument ETM zamontowany na satelicie LANDSAT-7 [2]. Przytoczone metody stosuje siÄ&#x2122; przede wszystkim do danych satelitarnych o doĹ&#x203A;Ä&#x2021; niskiej rozdzielczoĹ&#x203A;ci przestrzennej. Wykonywanie analiz w oparciu o piksel terenowy rzÄ&#x2122;du 250â&#x20AC;&#x201C;1000 m (MODIS) lub chociaĹźby 30 m (LANDSAT-8) uniemoĹźliwia analizÄ&#x2122; defoliacji u poszczegĂłlnych osobnikĂłw (przeciÄ&#x2122;tna Ĺ&#x203A;rednica korony dÄ&#x2122;bu na powierzchni badawczej projektu HESOFF w Krotoszynie wynosi okoĹ&#x201A;o 6 m).

Dlatego podczas prowadzonych badaĹ&#x201E; wykorzystano zdjÄ&#x2122;cia lotnicze. GĹ&#x201A;Ăłwnym celem przeprowadzonej pracy jest prĂłba oceny defoliacji na podstawie danych zebranych z powietrza. ZdjÄ&#x2122;cia wielospektralne o rozdzielczoĹ&#x203A;ci przestrzennej okoĹ&#x201A;o 25 cm zostaĹ&#x201A;y uĹźyte do wypracowania metody badawczej. Istotne jest

5

! ! ! * h

$ [+ MFG>OKG

to, Ĺźe w tego typu pracach naleĹźy uwzglÄ&#x2122;dniÄ&#x2021; wpĹ&#x201A;yw roĹ&#x203A;linnoĹ&#x203A;ci znajdujÄ&#x2026;cej siÄ&#x2122; bezpoĹ&#x203A;rednio pod koronÄ&#x2026; drzewa.

Niniejsza publikacja prezentuje wpĹ&#x201A;yw typu podszytu na wartoĹ&#x203A;ci radiometryczne pikseli reprezentujÄ&#x2026;cych drzewo na zdjÄ&#x2122;ciu wielospektralnym. ZaleĹźnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; tÄ&#x2122; obserwowano juĹź w wielu pracach badawczych [15, 18, 10], a w zaproponowanych modelach separacji wpĹ&#x201A;ywu podszytu na reflektancjÄ&#x2122; koron drzew i poĹ&#x203A;rednio na oszacowanie zdrowotnoĹ&#x203A;ci drzewostanĂłw, defoliacji itp. moĹźe byÄ&#x2021; uwzglÄ&#x2122;dniona we wspĂłĹ&#x201A;czesnych badaniach nad nowoczesnymi metodykami [7] pomiaru zdrowotnoĹ&#x203A;ci poszczegĂłlnych drzew. Celem projektu HESOFF jest wypracowanie metodyki oceny zdrowotnoĹ&#x203A;ci drzewostanĂłw dÄ&#x2122;bowych i wpĹ&#x201A;ywu nawozĂłw fosforynowych na zdrowotnoĹ&#x203A;Ä&#x2021;. W celu oszacowania zdrowotnoĹ&#x203A;ci dÄ&#x2122;bĂłw w projekcie wykonano pomiar defoliacji metodami tradycyjnymi (ocena wizualna) i za pomocÄ&#x2026; zdjÄ&#x2122;Ä&#x2021; lotniczych.

PoniewaĹź badane kompleksy leĹ&#x203A;ne charakteryzujÄ&#x2026; siÄ&#x2122; zróşnicowanym typem podszytu [12] naleĹźaĹ&#x201A;o podjÄ&#x2026;Ä&#x2021; prĂłbÄ&#x2122; uniezaleĹźnienia wypracowanej wczeĹ&#x203A;niej metodyki oszacowania defoliacji na podstawie zdjÄ&#x2122;Ä&#x2021; lotniczych [9] od tego parametru Ĺ&#x203A;rodowiskowego.

Wyniki pracy przedstawia niniejsza publikacja.

# 3

W celu wypracowania wĹ&#x201A;asnej metody oceny defoliacji na podstawie wielospektralnych zdjÄ&#x2122;Ä&#x2021; lotniczych, w lipcu 2015 r. pozyskane zostaĹ&#x201A;y zdjÄ&#x2122;cia leĹ&#x203A;nej powierzchni badawczej w NadleĹ&#x203A;nictwie Krotoszyn, w LeĹ&#x203A;nictwie Jelonek, w oddziaĹ&#x201A;ach: 181, 182 i 183. Powierzchnia badawcza poroĹ&#x203A;niÄ&#x2122;ta jest przez ponad stuletnie dÄ&#x2122;by. Na podstawie opisu taksacyjnego lasu przeprowadzono analizÄ&#x2122; skĹ&#x201A;adu gatunkowego poszczegĂłlnych piÄ&#x2122;ter drzewostanu. WedĹ&#x201A;ug danych zamieszczonych w dokumencie ustalono, Ĺźe w oddziale 181 (rys. 1) gatunkiem dominujÄ&#x2026;cym byĹ&#x201A; dÄ&#x2026;b szypuĹ&#x201A;kowy w wieku 114 lat. W podszycie wystÄ&#x2122;powaĹ&#x201A;y takie gatunki jak: jarzÄ&#x2026;b pospolity, kruszyna pospolita, leszczyna pospolita oraz grab pospolity, ktĂłry wystÄ&#x2122;powaĹ&#x201A; na 90% powierzchni wydzielenia. W oddziale 182 gatunkiem dominujÄ&#x2026;cym rĂłwnieĹź byĹ&#x201A; dÄ&#x2026;b szypuĹ&#x201A;kowy w wieku okoĹ&#x201A;o 124 lat. W podszycie gatunkiem dominujÄ&#x2026;cym byĹ&#x201A; grab pospolity zajmujÄ&#x2026;cy okoĹ&#x201A;o 90% powierzchni caĹ&#x201A;ego wydzielenia oraz domieszkowo takie gatunki jak: jarzÄ&#x2026;b pospolity i kruszyna pospolita. Na rysunku 1 zaprezentowano podziaĹ&#x201A; powierzchni badawczej projektu HESOFF na oddziaĹ&#x201A;y i pododdziaĹ&#x201A;y. Punktami oznaczono drzewa poddane monitoringowi.

W ostatnim z oddziaĹ&#x201A;Ăłw, w ktĂłrym prowadzono badania (oddziaĹ&#x201A; 183d), gatunkiem dominujÄ&#x2026;cym byĹ&#x201A; dÄ&#x2026;b szypuĹ&#x201A;kowy w wieku 118 lat. Podszyt drzewostanu zdominowany byĹ&#x201A; przez jarzÄ&#x2026;b pospolity, ktĂłry w tym pododdziale zajmowaĹ&#x201A; blisko 90% powierzchni, w oddziale wystÄ&#x2122;powaĹ&#x201A;a rĂłwnieĹź miejscami kru-

Rys. 1. Powierzchnia badawcza projektu HESOFF w nadleĹ&#x203A;nictwie Krotoszyn Fig. 1. HESOFF Project research area in Krotoszyn forest district

szyna pospolita. Do zobrazowania powierzchni badawczej uĹźyta zostaĹ&#x201A;a Platforma Wielosensorowa QUERCUS.6 [5] wyposaĹźona w filtry optyczne 0,46 Îźm, 0,52 Îźm, 0,67 Îźm, 0,73 Îźm, 0,82 Îźm oraz 0,93 Îźm. Nalot fotogrametryczny wykonano na puĹ&#x201A;apie 800 m z pikselem terenowym 25 cm. Z pozyskanych wielowarstwowych zdjÄ&#x2122;Ä&#x2021; wytworzono ortofotomapÄ&#x2122; cyfrowÄ&#x2026; [8].

Na powierzchni badawczej wyznaczono szeĹ&#x203A;Ä&#x2021;dziesiÄ&#x2026;t dÄ&#x2122;bĂłw, ktĂłre przed realizacjÄ&#x2026; nalotu poddano wizualnej, tradycyjnej ocenie defoliacji. KaĹźdy z tych dÄ&#x2122;bĂłw oznaczono na ortofotomapie, a nastÄ&#x2122;pnie przyporzÄ&#x2026;dkowano mu wartoĹ&#x203A;ci odpowiadajÄ&#x2026;ce Ĺ&#x203A;redniej reflektancji i odchylenia standardowego reflektancji w kaĹźdym kanale optycznym. Dla kaĹźdego z dÄ&#x2122;bĂłw wartoĹ&#x203A;ci reflektancji i jej odchylenia porĂłwnano z wartoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; wizualnej oceny defoliacji. Obliczono takĹźe wskaĹşniki biomasy NDVI oraz zacienienia Green Index. W kolejnym etapie analizy danych powtĂłrzono tÄ&#x2122; procedurÄ&#x2122; osobno dla dÄ&#x2122;bĂłw znajdujÄ&#x2026;cych siÄ&#x2122; w oddziaĹ&#x201A;ach o róşnym typie podszytu: (a) z podszytem o 90% udziale grabu (Carpinus sp.) obraz (b) z podszytem o 90%

Tabela 1. Korelacja wartoĹ&#x203A;ci defoliacji z reflektancjÄ&#x2026; oraz jej odchyleniem standardowym Table 1. Defoliation with reflectance intensity and standard deviation correlation values

KanaĹ&#x201A; optyczny [Îźm]

6

Korelacja dla caĹ&#x201A;ej powierzchni badawczej poziomu defoliacji zmierzonej in situ z

Korelacja dla oddziaĹ&#x201A;Ăłw o podszycie z 90% udziaĹ&#x201A;em grabu poziomu defoliacji zmierzonej in situ z

Korelacja dla oddziaĹ&#x201A;Ăłw o podszycie z 90% udziaĹ&#x201A;em jarzÄ&#x2122;bu poziomu defoliacji zmierzonej in situ z

reflektancjÄ&#x2026;

odchyleniem reflektancji

reflektancjÄ&#x2026;

odchyleniem reflektancji

reflektancjÄ&#x2026;

odchylenie reflektancji

0,46

0,2403

â&#x20AC;&#x201C;0,1313

0,4854

0,1963

0,1804

â&#x20AC;&#x201C;0,8088

0,52

0,3247

â&#x20AC;&#x201C;0,2573

0,5834

â&#x20AC;&#x201C;0,980

0,1686

â&#x20AC;&#x201C;0,5700

0,67

0,3405

â&#x20AC;&#x201C;0,1369

0,5908

0,1035

â&#x20AC;&#x201C;0,4188

â&#x20AC;&#x201C;0,6637

0,73

0,1245

â&#x20AC;&#x201C;0,3495

0,4897

â&#x20AC;&#x201C;0,2591

â&#x20AC;&#x201C;0,4108

â&#x20AC;&#x201C;0,6827

0,82

0,1307

â&#x20AC;&#x201C;0,2972

0,5811

â&#x20AC;&#x201C;0,2067

â&#x20AC;&#x201C;0,3803

â&#x20AC;&#x201C;0,6445

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

udziale jarzÄ&#x2122;bu (Sorbus sp.). UwzglÄ&#x2122;dniajÄ&#x2026;c parametr zwiÄ&#x2026;zany z typem podszytu stworzono prosty wskaĹşnik teledetekcyjny defoliacji.

U Poziom korelacji Pearsona miÄ&#x2122;dzy zmierzonym metodÄ&#x2026; tradycyjnÄ&#x2026; stopniem defoliacji a Ĺ&#x203A;redniÄ&#x2026; reflektancjÄ&#x2026; (ze zdjÄ&#x2122;Ä&#x2021; wykonanych kamerÄ&#x2026; QUERCUS.6) i jej odchyleniem standardowym przedstawiono w tabeli 1.

Dla caĹ&#x201A;ej powierzchni badawczej oraz dla kaĹźdego z dwĂłch typĂłw dziaĹ&#x201A;Ăłw obliczono wskaĹşniki biomasy NDVI

(1)

oraz wskaĹşnik zacienienia Green Index

(2)

Wyniki korelacji Pearsona tych wskaĹşnikĂłw z defoliacjÄ&#x2026; przedstawiono w tabeli 2.

Tabela 2. Korelacja Pearsona wartoĹ&#x203A;ci wskaĹşnikĂłw teledetekcyjnych NDVI i Green Index ze wskaĹşnikiem defoliacji ocenionym wizualnie Table 2. Pearson Correlation between remote sensing indices (NDVI, Green Index) and visual defoliation index

Typ podszytu WskaĹşnik (a) + (b)

(a)

(b)

NDVI [â&#x20AC;&#x201C;]

â&#x20AC;&#x201C;0,2178

â&#x20AC;&#x201C;0,2034

â&#x20AC;&#x201C;0,2336

GI [â&#x20AC;&#x201C;]

0,1081

â&#x20AC;&#x201C;0,626

0,5331

Ĺ&#x203A;cie najwiÄ&#x2122;ksze z caĹ&#x201A;ego przedziaĹ&#x201A;u Ĺ&#x203A;wiatĹ&#x201A;a widzialnego i NIR. Przypuszczamy, Ĺźe wraz z rosnÄ&#x2026;cym zróşnicowaniem sygnatur koron badanych drzew oraz podszytu korelacja miÄ&#x2122;dzy odchyleniem standardowym a defoliacjÄ&#x2026; powinna byÄ&#x2021; wyĹźsza, jednak zagadnienie to powinno staÄ&#x2021; siÄ&#x2122; przedmiotem dalszych badaĹ&#x201E;.

Dla oddziaĹ&#x201A;u charakteryzujÄ&#x2026;cego siÄ&#x2122; duĹźym udziaĹ&#x201A;em jarzÄ&#x2122;ba w podszycie obserwujemy ujemnÄ&#x2026; korelacjÄ&#x2122; reflektancji i defoliacji. Jest to szczegĂłlnie widoczne w podczerwieni i czerwonym kanale optycznym (od â&#x20AC;&#x201C;0,3803 do â&#x20AC;&#x201C;0,4188). W naszej ocenie jest to spowodowane duĹźÄ&#x2026; róşnicÄ&#x2026; w wysokoĹ&#x203A;ci dÄ&#x2122;bĂłw i jarzÄ&#x2122;bĂłw (okoĹ&#x201A;o 27 m). Dla kanaĹ&#x201A;Ăłw optycznych charakterystycznych dla rozpraszania Rayleigha w atmosferze ziemskiej reflektancja w cieniu jest skorelowana nieznacznie dodatnio. NaleĹźy zwrĂłciÄ&#x2021; uwagÄ&#x2122; na to, Ĺźe zgodnie z modelem teoretycznym [14] rozpraszanie to jest proporcjonalne do czwartej potÄ&#x2122;gi odwrotnoĹ&#x203A;ci dĹ&#x201A;ugoĹ&#x203A;ci fali Ĺ&#x203A;wiatĹ&#x201A;a, zatem dla kanaĹ&#x201A;u niebieskiego 0,46 Îźm bÄ&#x2122;dzie ono wystÄ&#x2122;powaĹ&#x201A;o z ponad dziesiÄ&#x2122;ciokrotnie, a dla zielonego 0,52 Îźm â&#x20AC;&#x201C; z ponad szeĹ&#x203A;ciokrotnie wiÄ&#x2122;kszym natÄ&#x2122;Ĺźeniem niĹź dla kanaĹ&#x201A;Ăłw czerwonego i podczerwonych, co rzeczywiĹ&#x203A;cie obserwujemy podczas analizy danych.

5. Podsumowanie Zebrane dane teledetekcyjne i pomiary defoliacji dÄ&#x2122;bĂłw w terenie pozwalajÄ&#x2026; na wypracowanie wstÄ&#x2122;pnej metodyki szacowania defoliacji na podstawie zdjÄ&#x2122;Ä&#x2021; lotniczych. Metoda ta musi jednak uwzglÄ&#x2122;dniaÄ&#x2021; typ podszytu, a szczegĂłlnie jego wysokoĹ&#x203A;Ä&#x2021; w odniesieniu do wysokoĹ&#x203A;ci drzew gĂłrnego piÄ&#x2122;tra, ktĂłrych defoliacjÄ&#x2122; chcemy oszacowaÄ&#x2021;. Dla typu podszytu wysokiego decydujÄ&#x2026;ca bÄ&#x2122;dzie zatem sygnatura spektralna reflektancji gatunku dominujÄ&#x2026;cego w podszycie (tutaj grabu). StosujÄ&#x2026;c tÄ&#x2122; obserwacjÄ&#x2122; do naszej powierzchni badawczej moĹźemy dla kaĹźdego z dÄ&#x2122;bĂłw obliczyÄ&#x2021; nastÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;cy wskaĹşnik skorelowany z poziomem defoliacji:

(3)

:

Na wstÄ&#x2122;pie naleĹźy zwrĂłciÄ&#x2021; uwagÄ&#x2122; na zupeĹ&#x201A;nie róşne zachowanie wskaĹşnikĂłw NDVI oraz GI w obrÄ&#x2122;bie oddziaĹ&#x201A;Ăłw o róşnym typie podszytu. WskaĹşnik biomasy NDVI wykazuje niewielkÄ&#x2026; ujemnÄ&#x2026; korelacjÄ&#x2122; ze stopniem defoliacji, czego naleĹźaĹ&#x201A;o siÄ&#x2122; spodziewaÄ&#x2021; [16]. NaleĹźy jednak zwrĂłciÄ&#x2021; uwagÄ&#x2122; na dodatniÄ&#x2026; korelacjÄ&#x2122; wskaĹşnika zacienienia jedynie w oddziale o dominujÄ&#x2026;cym udziale jarzÄ&#x2122;ba w podszycie. W naszej ocenie jest to spowodowane wydatnÄ&#x2026; róşnicÄ&#x2026; w wysokoĹ&#x203A;ci podszytu. W obrÄ&#x2122;bie powierzchni badawczej wysokoĹ&#x203A;Ä&#x2021; dÄ&#x2122;bĂłw wynosi okoĹ&#x201A;o 29 m, tymczasem Ĺ&#x203A;rednia wysokoĹ&#x203A;Ä&#x2021; grabu wynosi okoĹ&#x201A;o 15â&#x20AC;&#x201C;20 m, natomiast jarzÄ&#x2122;ba ok. 2â&#x20AC;&#x201C;3 m. Poziom zacienienia dla podszytu o przewadze jarzÄ&#x2122;ba powinien zatem rosnÄ&#x2026;Ä&#x2021; wraz z defoliacjÄ&#x2026; koron dÄ&#x2122;bĂłw. Dla oddziaĹ&#x201A;u charakteryzujÄ&#x2026;cego siÄ&#x2122; duĹźym udziaĹ&#x201A;em grabu w podszycie obserwujemy Ĺ&#x203A;redniÄ&#x2026; dodatniÄ&#x2026; korelacjÄ&#x2122; reflektancji wraz z defoliacjÄ&#x2026; we wszystkich kanaĹ&#x201A;ach optycznych (od 0,4854 do 0,5908). Statystycznie Ĺ&#x203A;rednia reflektancja w caĹ&#x201A;ym paĹ&#x203A;mie roĹ&#x203A;nie o 2,94% wraz ze wzrostem defoliacji korony dÄ&#x2122;bu o kaĹźde 5%. W naszej ocenie jest to spowodowane wizualnym wypeĹ&#x201A;nianiem zdjÄ&#x2122;cia korony dÄ&#x2122;bu znajdujÄ&#x2026;cymi siÄ&#x2122; nieco niĹźej liĹ&#x203A;Ä&#x2021;mi grabu o zdecydowanie wyĹźszej reflektancji. Dla oceny defoliacji korony dÄ&#x2122;bu przy wysokim podszycie niezwykle waĹźne okazujÄ&#x2026; siÄ&#x2122; najbardziej charakterystyczne róşnice w sygnaturach spektralnych reflektancji dÄ&#x2122;bĂłw i podszytu. Dla dÄ&#x2122;bĂłw i grabĂłw tymi miejscami sÄ&#x2026; kanaĹ&#x201A;y 0,46 Îźm i 0,67 Îźm [1]. Zaobserwowane odchylenia standardowe reflektancji w tych dwĂłch dĹ&#x201A;ugoĹ&#x203A;ciach fali Ĺ&#x203A;wiatĹ&#x201A;a sÄ&#x2026; rzeczywi-

Dla typu podszytu niskiego wskaĹşnik skorelowany z poziomem defoliacji opieraÄ&#x2021; siÄ&#x2122; bÄ&#x2122;dzie na wzroĹ&#x203A;cie reflektancji w paĹ&#x203A;mie niebieskim (0,46â&#x20AC;&#x201C;0,52 Îźm) oraz spadku reflektancji w paĹ&#x203A;mie czerwonym i bliskiej podczerwieni (0,67â&#x20AC;&#x201C;0,82 Îźm):

(4)

Korelacje miÄ&#x2122;dzy tak wyraĹźonymi wskaĹşnikami teledetekcyjnymi defoliacji a pomiarami tradycyjnymi wynoszÄ&#x2026;: dla podszytu wysokiego 0,6318, dla podszytu niskiego 0,7484.

WartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; defoliacji dla kaĹźdego z monitorowanych dÄ&#x2122;bĂłw [21, 6] na powierzchni badawczej w NadleĹ&#x203A;nictwie Krotoszyn zostaĹ&#x201A;a przedstawiona na rysunku 3: â&#x2C6;&#x2019; wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; odpowiadajÄ&#x2026;ca pomiarom terenowym (zaznaczona przez barwÄ&#x2122; okrÄ&#x2122;gu wewnÄ&#x2122;trznego), â&#x2C6;&#x2019; wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; otrzymana za pomocÄ&#x2026; wypracowanej metodyki teledetekcyjnej (zaznaczona przez barwÄ&#x2122; okrÄ&#x2122;gu zewnÄ&#x2122;trznego).

WartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wskaĹşnika defoliacji zmierzona teledetekcyjnie na pĂłĹ&#x201A;noc od widocznej w Ĺ&#x203A;rodkowej czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci zdjÄ&#x2122;cia szkĂłĹ&#x201A;ki leĹ&#x203A;nej wynika z zastosowania wzoru (3) dla terenu o wysokim podszycie. WartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; defoliacji dla poĹ&#x201A;udniowej czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci uzyskano dziÄ&#x2122;ki zastosowaniu wzoru (4) dla terenu o niskim podszycie.

KorelacjÄ&#x2122; obu wartoĹ&#x203A;ci defoliacji zmierzonej metodami teledetekcyjnymi i metodami tradycyjnymi dla wybranych drzew przedstawiono na rysunku 3. Na osi pionowej zaznaczono poziom defoliacji zmierzony metodami teledetekcyjnymi, na osi pozio-

7

! ! ! * h

$ [+ MFG>OKG

mej wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; defoliacji zmierzonÄ&#x2026; metodami tradycyjnymi, na podstawie wizji terenowej.

W naszej ocenie wyniki przeprowadzonych prac sÄ&#x2026; bardzo obiecujÄ&#x2026;ce i mogÄ&#x2026; byÄ&#x2021; wykorzystywane w projektach oceniajÄ&#x2026;cych zdrowotnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; drzewostanĂłw, m.in. w ktĂłrych zidentyfikowano obecnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; patogenĂłw z rodzaju Phytophthora [22, 17].

Do dalszego rozwoju przedstawionej tu metody proponujemy stworzyÄ&#x2021; model wysokoĹ&#x203A;ciowy badanego kompleksu leĹ&#x203A;nego oraz jego model fizjologiczny w kontekĹ&#x203A;cie modelowania reflektancji w poszczegĂłlnych kanaĹ&#x201A;ach optycznych. Uzyskane wyniki planujemy wykorzystaÄ&#x2021; jako kolejny parametr do zdalnego badania zdrowotnoĹ&#x203A;ci drzew. Otwarte pozostaje pytanie, na ile wypracowana metodyka moĹźe zostaÄ&#x2021; zastosowana w analizach teledetekcyjnych drzewostanĂłw na podstawie zobrazowaĹ&#x201E; innych niĹź ortofotomapy [11].

X & 1. Abbasi M., Schaepman M.E., Darvishsefat A., Bartholomeus H.M., Marvi Mohajer M.R., Sobhani H., Spectroradiometric measurements of tree species in the Caspian forests of Iran. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XXXVII. Part B7. Beijing 2008, 291â&#x20AC;&#x201C;295.

2. Babst F., Esper J, Parlow E., Landsat TM/ETM+ and tree-ring based assessment of spatiotemporal patterns of the autumnal moth (Epirrita autumnata) in northernmost Fennoscandia. â&#x20AC;&#x153;Remote Sensing of Environmentâ&#x20AC;?, Vol. 114, Iss. 3, 2010, 637â&#x20AC;&#x201C;646, DOI: 10.1016/j.rse.2009.11.005.

3. Belbahri L., Moralejo E., Calmin G., Oszako T., GarcĂ­a J.A., Descals E., Lefort F., Phytophthora polonica, a new species isolated from declining Alnus glutinosa stands in Poland, â&#x20AC;&#x153;FEMS Microbiology Lettersâ&#x20AC;?, 261(2), 2006, 165â&#x20AC;&#x201C;174, DOI: 10.1111/j.1574-6968.2006.00349.x.

4. Colijn Ch.W., Cohen M., Johnston S., Dillon W., Rank N., Factors influencing Phytophthora ramorum infectivity on Umbellularia californica and testing of a defoliation-based control method, Diss. Department of Biology, Sonoma State University, 2012.

5. Czapski P., Kacprzyk M., Korniluk T., Kotlarz J., Kubiak K., Mazur A., Mrowiec K., Oszako T., PieniÄ&#x2026;Ĺźek J., PoĹ&#x203A;pieszczyk A., Tkaczyk M., WodziĹ&#x201E;ski K., Zalewska N., Budowa i zastosowanie platformy wielosensorowej w badaniu wybranych parametrĂłw Ĺ&#x203A;rodowiska. Prace Instytutu Lotnictwa, Nr 1 (234) March 2014 (2014): 126â&#x20AC;&#x201C;142.

6. DÄ&#x2026;browski P.A., Kalaji H., KeÄ?a N., Horaczek T., Oszako T., The influence of phosphite treatments on oak leaves and damage caused by powdery mildew Erysiphe alphitoides, â&#x20AC;&#x153;Folia Forestalia Polonicaâ&#x20AC;?, Vol. 59, Iss. 3, 2017, 239â&#x20AC;&#x201C;245, DOI: 10.1515/ffp-2017-0025.

7. Fotowicz P., Modyfikacja sposobu obliczania niepewnoĹ&#x203A;ci pomiaru, â&#x20AC;&#x17E;Pomiary Automatyka Robotykaâ&#x20AC;?, R. 20, Nr 3, 2016, 29â&#x20AC;&#x201C;32, DOI: 10.14313/PAR_221/29.

8. Kacprzak M., Rotchimmel K., Tworzenie produktĂłw fotogrametrycznych z wykorzystaniem zdjÄ&#x2122;Ä&#x2021; wykonanych blokiem kamer niemetrycznych, â&#x20AC;&#x17E;Prace Instytutu Lotnictwaâ&#x20AC;?, T. 243, Nr 2, 2016, 120â&#x20AC;&#x201C;129, DOI: 10.5604/05096669.1205266.

9. Kacprzak M., Kotlarz J., Kubiak K., Rotchimmel K., Tkaczyk M., Metodyka oszacowania defoliacji Quercus Robur L. na podstawie analizy reflektancji w zakresie 0,64 Âľm â&#x20AC;&#x201C; 0,73 Âľm. â&#x20AC;&#x17E;Technika rolnicza, ogrodnicza, leĹ&#x203A;naâ&#x20AC;?, Nr 1, 2018.

10. Kotlarz J., Kubiak K., Kacprzak M., Czapski P., Estimation of tree species diversity of forest stands based on their

Rys. 2. WskaĹşniki defoliacji na powierzchni badawczej projektu HESOFF zmierzona in situ (D_IS) oraz metodÄ&#x2026; teledetekcyjnÄ&#x2026; (D_RS) Fig. 2. Remote sensing (D_RS) and visual (D_IS) defoliation indices on HESOFF research area

Rys. 3. PorĂłwnanie wskaĹşnikĂłw defoliacji zmierzonych metodami tradycyjnymi i teledetekcyjnymi Fig. 3. Remote sensing vs visual defoliation indices comparison

8

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

spectral reflectance. â&#x20AC;&#x153;SYLWANâ&#x20AC;?, Vol. 160, Nr 12, 2016, 1036â&#x20AC;&#x201C;1045.

11. Kotlarz J., Kacprzak M., Algorytm automatycznego oszacowania zróşnicowania gatunkowego drzewostanu z wykorzystaniem zdjÄ&#x2122;Ä&#x2021; RGB koron drzew. â&#x20AC;&#x17E;Pomiary Automatyka Robotykaâ&#x20AC;?, R. 21, Nr 1, 2017, 63â&#x20AC;&#x201C;70, DOI: 10.14313/PAR_223/63.

12. Kotlarz J., NasiĹ&#x201A;owska S., Rotchimmel K., Kubiak K., Species Diversity of Oak Stands and Its Significance for Drought Resistance. â&#x20AC;&#x153;Preprintsâ&#x20AC;?, 2018, 2018010247, DOI: 10.20944/preprints201801.0247.v1.

13. Kubiak K., ŝóĹ&#x201A;ciak A., Damszel M., Lech P., Sierota Z., Armillaria Pathogenesis under Climate Changes. â&#x20AC;&#x153;Forestsâ&#x20AC;?, Vol. 8, No. 4, 2017, DOI: 10.3390/f8040100.

14. Meyer-Arendt J.R., WstÄ&#x2122;p do optyki, PaĹ&#x201E;stwowe Wydawnictwo Naukowe, 1977.

15. Miller J.R., White H.P., Chen J.M., Peddle D.R., McDermid G., Fournier R.A., LeDrew E. (1997). Seasonal change in understory reflectance of boreal forests and influence on canopy vegetation indices. â&#x20AC;&#x153;Journal of Geophysical Research: Atmospheresâ&#x20AC;?, Vol. 102, Iss. D24, 29475â&#x20AC;&#x201C;29482, DOI: 10.1029/97JD02558.

16. Olsson Per-Ola, Johan LindstrĂśm, Lars Eklundh. Near realtime monitoring of insect induced defoliation in subalpine birch forests with MODIS derived NDVI. â&#x20AC;&#x153;Remote Sensing of Environmentâ&#x20AC;?, Vol. 181, 2016, 42â&#x20AC;&#x201C;53, DOI: 10.1016/j.rse.2016.03.040.

17. Oszako T., Olchowik J., Szaniawski A., Drozdowski S., Aleksandrowicz-TrzciĹ&#x201E;ska M., Emerging forest disease in Europe and North America. â&#x20AC;&#x153;Folia Forestalia Polonicaâ&#x20AC;?, Vol. 59, Iss. 2, 2017, 159â&#x20AC;&#x201C;162, DOI: 10.1515/ffp-2017-0016.

18. Rautiainen M., Mþttus M., Heiskanen J., Akujärvi A., Majasalmi T., Stenberg P., Seasonal reflectance dynamics

of common understory types in a northern European boreal forest, â&#x20AC;&#x153;Remote Sensing of Environmentâ&#x20AC;?, Vol. 115, Iss. 12, 2011, 3020â&#x20AC;&#x201C;3028, DOI: 10.1016/j.rse.2011.06.005.

19. Solberg S., Eklundh L., Gjertsen A.K., Johansson T., Joyce S., Lange H., NĂŚsset E., Olsson H., Pang Y., Solberg A., Testing remote sensing techniques for monitoring large scale insect defoliation. Proc ForestSat 2007, Int Conf on Hyperspectral & Advanced sensors, Montpellier (France), November 2007.

20. Solberg S., Brunner A., Hanssen K.H., Lange H., NĂŚsset E., Rautiainen M., Stenberg P., Mapping LAI in a Norway spruce forest using airborne laser scanning. â&#x20AC;&#x153;Remote Sensing of Environmentâ&#x20AC;?, Vol. 113, Iss. 11, 2009, 2317â&#x20AC;&#x201C;2327, DOI: 10.1016/j.rse.2009.06.010.

21. Tkaczyk, M., Kubiak, K. A., Sawicki, J., Nowakowska, J. A., & Oszako, T. (2016). Wykorzystanie zwiÄ&#x2026;zkĂłw fosforynowych w leĹ&#x203A;nictwie. LeĹ&#x203A;ne Prace Badawcze, 77(1).

22. Tkaczyk M., Nowakowska J.A., Oszako T., Phytophthora species isolated from ash stands in BiaĹ&#x201A;owieĹźa Forest nature reserve. â&#x20AC;&#x153;Forest Pathologyâ&#x20AC;?, Vol. 46, Iss. 6, 2016, 660â&#x20AC;&#x201C;662, DOI: 10.1111/efp.12295.

23. Wawrzoniak J., Pluciak M., MaĹ&#x201A;achowska J. Statystyczna ocena zgodnoĹ&#x203A;ci szacunkĂłw defoliacji drzew prĂłbnych na staĹ&#x201A;ych powierzchniach obserwacyjnych monitoringu lasu. â&#x20AC;&#x17E;Prace Instytutu Badawczego LeĹ&#x203A;nictwaâ&#x20AC;?, Ser. A, Vol. 867, 1999, 19â&#x20AC;&#x201C;38.

24. Wang Quanzeng, et al., Condensed Monte Carlo modeling of reflectance from biological tissue with a single illuminationâ&#x20AC;&#x201C;detection fiber, â&#x20AC;&#x153;IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronicsâ&#x20AC;?, Vol. 16, Iss. 3, 2010, 627â&#x20AC;&#x201C;634, DOI: 10.1109/JSTQE.2009.2029546.

< " 0 0 = " = 0 " " 0 Quercus robur L. = G 46&7.,& " Abstract: One of the symptoms of dieback of oak stands in Europe is high defoliation, .observed in trees with poor health. For the purposes of annual monitoring (in research project HESOFF) of the research area affected by the pathogen Phytophthora, in the Remote Sensing Department of Institute of Aviation was made attempt to develop a proper methodology for defoliation evaluation with multispectral aerial images use. For this purpose in July 2015 with the use of the Multisensory Platform QUERCUS.6 aerial photos of the test forest complex were made (range: 0.46â&#x20AC;&#x201C;0.82 Îźm).

Based on the photos, reflectance measurements for each of investigated oaks were made and acquired parameters have been compared with defoliation level obtained by conventional methods.

Based on these correlation has been demonstrated that defoliation measurement is possible with use of optical channels: 0.46â&#x20AC;&#x201C;0.52 Îźm and 0.67â&#x20AC;&#x201C;0.82 Îźm. It was also shown that for correct defoliation measurement with proposed in this article methodology it is necessary to take into account the type of underbrush, which has a decisive influence on the observed reflectance.

Keywords0 " = 0 0 " " = 0 #>F 0

9

! ! ! * h

$ [+ MFG>OKG

Jan Kotlarz

-,

2 0

% ) % %

Q %( ) % %

" / L # @ / = % C ,&*, % < 8 ; % / ,&&+ % " = < ! P H @ = = I= = " = I@ = M " " Q = @ % C ,&*$ % " JK CLL%

( < 8 @ ; 0 @ 0 = " % C " " @ " " @ M N =% R > O % / ,&*- % " = M I = " M = = ( " K I " @ = Q @ I %

-,

2

$ --

-,

2 0

#

% "" ) % %

"% ) E % %

>E / H ( @ = 0 / % C ,&*4 % < @ 8 ; % " 0 = " I I @ D @ " " @ JK CLL% ' = I " $

" %

>E H M H / = / = ; "% C ,&*$ % 8 B = ; N C ; O = " E " I

% ' = I = M = E N= M O%

10

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;¢

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;¢

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

% @ $ H E QMKPLaQKF + KK E Q?KGQO QQ>QP b\H& QG+QMgQg?%@ Â&#x2039;KKP?QQ

> = = IS = Wojciech Trzasko B / K % / 4A *A@$A* B

Streszczenie: W pracy przedstawiono eksperymentalne wyniki dziaĹ&#x201A;ania dwuosiowego solarnego ukĹ&#x201A;adu nadÄ&#x2026;Ĺźnego w okresie od marca 2015 r. do wrzeĹ&#x203A;nia 2017 r. Analizowana instalacja, o Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;cznej mocy 3 kWp, jest zlokalizowana na kampusie Politechniki BiaĹ&#x201A;ostockiej (BiaĹ&#x201A;ystok, Polska pĂłĹ&#x201A;nocnowschodnia). AnalizÄ&#x2122; wydajnoĹ&#x203A;ci nadÄ&#x2026;Ĺźnej instalacji fotowoltaicznej przeprowadzono w stosunku do instalacji o staĹ&#x201A;ym kÄ&#x2026;cie pochylenia. OmĂłwiono wpĹ&#x201A;yw dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ci sterowania ukĹ&#x201A;adem Ĺ&#x203A;ledzenia na konwersjÄ&#x2122; energii sĹ&#x201A;onecznej w warunkach miejskich na przykĹ&#x201A;adzie miasta BiaĹ&#x201A;egostoku. Uzyskane wyniki wskazujÄ&#x2026;, Ĺźe zastosowanie dwuosiowego ukĹ&#x201A;adu nadÄ&#x2026;Ĺźnego zwiÄ&#x2122;kszyĹ&#x201A;o rocznÄ&#x2026; produkcjÄ&#x2122; energii o okoĹ&#x201A;o 40% w porĂłwnaniu do panelu ustawionego pod kÄ&#x2026;tem 38° w kierunku poĹ&#x201A;udniowym.

Zaproponowano metodÄ&#x2122; poprawy dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ci algorytmu sterowania dwuosiowym ukĹ&#x201A;adem nadÄ&#x2026;Ĺźnym. )

0 ! ! ! #

;

* ! %f

1. Wprowadzenie W ostatnich latach ze wzglÄ&#x2122;du na wzrost cen paliw kopalnych i koniecznoĹ&#x203A;Ä&#x2021; redukcji emisji gazĂłw cieplarnianych energia odnawialna, pochodzÄ&#x2026;ca ze SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca, wiatru, wody, biogazu jest postrzegana jako realna alternatywa dla tradycyjnej energii [1, 2, 9]. WedĹ&#x201A;ug corocznych raportĂłw Instytutu Energetyki Odnawialnej rynek instalacji fotowoltaicznych ciÄ&#x2026;gle roĹ&#x203A;nie, mimo niejasnej sytuacji prawnej tego sektora. Podobnie rozwija siÄ&#x2122; rynek prosumenckich mikroinstalacji fotowoltaicznych, ktĂłre na koniec 2015 r. stanowiĹ&#x201A;y juĹź 31,5 MW, czyli 26% caĹ&#x201A;kowitej mocy zainstalowanej.

EfektywnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; konwersji fotowoltaicznej zaleĹźy z jednej strony od parametrĂłw samego odbiornika, z drugiej strony od dostÄ&#x2122;pnoĹ&#x203A;ci promieniowania sĹ&#x201A;onecznego na jego powierzchni, co jest uzaleĹźnione od warunkĂłw Ĺ&#x203A;rodowiskowych oraz przyjÄ&#x2122;tej metody orientacji odbiornika w przestrzeni [9, 14]. W ostatnich latach analizie opĹ&#x201A;acalnoĹ&#x203A;ci stosowania ukĹ&#x201A;adĂłw nadÄ&#x2026;Ĺźnych jedno- lub dwuosiowych oraz dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ci metod sterowania poĹ&#x203A;wiÄ&#x2122;conych jest wiele opracowaĹ&#x201E; i artykuĹ&#x201A;Ăłw [1â&#x20AC;&#x201C;3, 6, 7, 10, 12]. CiÄ&#x2026;gle jednak brakuje kompleksowych danych i analiz moĹźliwoĹ&#x203A;ci wytwĂłrczych systemu fotowoltaicznego w wybranych konfiguracjach pracy, w odniesieniu do warunkĂłw miejskich, gdzie uksztaĹ&#x201A;towanie i rodzaj terenu oraz wielkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; zabudowy, mogÄ&#x2026; wpĹ&#x201A;ynÄ&#x2026;Ä&#x2021; na sumy roczne promieniowania sĹ&#x201A;onecznego.

$

' 0 / < % ) E% % $

,4%*&%,&*- % ,6%&,%,&*. %

! "" # $%&

Na Politechnice BiaĹ&#x201A;ostockiej w latach 2012â&#x20AC;&#x201C;2015 realizowano dwa komplementarne projekty: Poprawa efektywnoĹ&#x203A;ci energetycznej infrastruktury Politechniki BiaĹ&#x201A;ostockiej z wykorzystaniem odnawialnych ĹşrĂłdeĹ&#x201A; energii oraz Badanie skutecznoĹ&#x203A;ci aktywnych i pasywnych metod poprawy efektywnoĹ&#x203A;ci energetycznej infrastruktury z wykorzystaniem odnawialnych ĹşrĂłdeĹ&#x201A; energii, ktĂłre byĹ&#x201A;y finansowane w ramach RPO WP 2007â&#x20AC;&#x201C;2013. Jednym z dziaĹ&#x201A;aĹ&#x201E;, realizowanym przez zespĂłĹ&#x201A; badawczy pracownikĂłw WydziaĹ&#x201A;u Elektrycznego, byĹ&#x201A;o opracowanie pogĹ&#x201A;Ä&#x2122;bionych analiz techniczno-ekonomicznych i raportĂłw z przeprowadzonych w dwuletnim horyzoncie czasowym badaĹ&#x201E; nad efektywnoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; energetycznÄ&#x2026; budynku referencyjnego oraz badaĹ&#x201E; hybrydowego systemu odnawialnej energetyki wiatrowej i fotowoltaicznej w terenie zurbanizowanym w regionie pĂłĹ&#x201A;nocno-wschodniej Polski [11].

WykorzystujÄ&#x2026;c zgromadzone dane z 32 miesiÄ&#x2122;cy eksploatacji elektrowni hybrydowej, w pracy zostanie przedstawiona analiza wydajnoĹ&#x203A;ci systemu fotowoltaicznego z moduĹ&#x201A;ami zainstalowanymi na dwuosiowym ukĹ&#x201A;adzie nadÄ&#x2026;Ĺźnym w odniesieniu do systemu z moduĹ&#x201A;ami ustawionymi na staĹ&#x201A;e. W drugiej czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci artykuĹ&#x201A;u zostanie zweryfikowana jakoĹ&#x203A;Ä&#x2021; i dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; sterowania ukĹ&#x201A;adem nadÄ&#x2026;Ĺźnym (trackerem solarnym) w ukĹ&#x201A;adzie otwartym, w tym przedstawiona metoda poprawy dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ci algorytmu sterowania.

# >

&

system pomiarowy WSAd Analizowana w pracy instalacja fotowoltaiczna wchodzi w skĹ&#x201A;ad hybrydowego systemu wytwĂłrczego energii elektrycznej, w ktĂłry zostaĹ&#x201A; wyposaĹźony budynek Centrum Badawczo-Dydaktycznego WydziaĹ&#x201A;u Elektrycznego. Ĺ Ä&#x2026;czna moc zainstalowana odnawialnych ĹşrĂłdeĹ&#x201A; energii wynosi 19Â kWp, gdzie elektrownia fotowol-

11

@ ! ] ! ; ; ! ! # ;

taiczna ma moc 9Â kWp, zaĹ&#x203A; elektrownia wiatrowa 10Â kWp. Inwestycja zostaĹ&#x201A;a oddana do uĹźytku w grudniu 2014Â r., zaĹ&#x203A; w okresie styczeĹ&#x201E; â&#x20AC;&#x201C; maj 2015 r. uruchomiono system pomiarowy WSAd (typu SCADA).

Instalacja jest przyĹ&#x201A;Ä&#x2026;czona do sieci elektroenergetycznej PGE Dystrybucja S.A, przy czym zawarta umowa nie przewiduje wprowadzania energii do sieci energetyki zawodowej.

ElektrowniÄ&#x2122; fotowoltaicznÄ&#x2026; tworzÄ&#x2026; cztery konfiguracje paneli z moduĹ&#x201A;ami polikrystalicznymi ESP 250 6P: panel fotowoltaiczny (PV1) zainstalowany nieruchomo na dachu budynku pod kÄ&#x2026;tem 38° w kierunku poĹ&#x201A;udniowym, skĹ&#x201A;adajÄ&#x2026;cy siÄ&#x2122; z 12 moduĹ&#x201A;Ăłw o Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;cznej mocy 3 kWp. Panel jest poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czony przez rozdzielnicÄ&#x2122;, wyposaĹźonÄ&#x2026; w ukĹ&#x201A;ad zabezpieczeĹ&#x201E; zĹ&#x201A;oĹźonych z dwu rozĹ&#x201A;Ä&#x2026;cznikĂłw P-SOL 20 A i ochronnika przepiÄ&#x2122;Ä&#x2021;, z inwerterem SMA typ SUNNY BOY 3000 HF. Sekcja do pracy optymalnej caĹ&#x201A;orocznie umoĹźliwia regulacjÄ&#x2122; kÄ&#x2026;ta pochylenia, aby optymalizowaÄ&#x2021; zyski energetyczne w krĂłtszych okresach czasu; panel fotowoltaiczny (PV4) zainstalowany na dachu budynku na ukĹ&#x201A;adzie nadÄ&#x2026;Ĺźnym (trackerze), skĹ&#x201A;adajÄ&#x2026;cy siÄ&#x2122; z 12 moduĹ&#x201A;Ăłw o Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;cznej mocy 3 kWp, zabezpieczenie i inwerter jak wyĹźej. Dwuosiowy ukĹ&#x201A;ad nadÄ&#x2026;Ĺźny Ĺ&#x203A;ledzi ruch sĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca w zakresie: kÄ&#x2026;t obrotu wschĂłdâ&#x20AC;&#x201C;zachĂłd (azymut) wynosi 270°, w kierunku pĂłĹ&#x201A;nocâ&#x20AC;&#x201C;poĹ&#x201A;udnie (wysokoĹ&#x203A;Ä&#x2021;) â&#x20AC;&#x201C; wynosi 80°; panel fotowoltaiczny (PV2) zainstalowany nieruchomo na poĹ&#x201A;udniowo-wschodniej Ĺ&#x203A;cianie budynku (azymut 160°), skĹ&#x201A;adajÄ&#x2026;cy siÄ&#x2122; z 6 moduĹ&#x201A;Ăłw o mocy 1,5 kWp; panel fotowoltaiczny (PV3) zainstalowany nieruchomo na poĹ&#x201A;udniowo-zachodniej fasadzie budynku (azymut 250°), skĹ&#x201A;adajÄ&#x2026;cy siÄ&#x2122; z 6 moduĹ&#x201A;Ăłw o mocy 1,5 kWp. W skĹ&#x201A;ad elektrowni wiatrowej wchodzÄ&#x2026;: turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu (EW1) typu H-Darrieus zainstalowana na maszcie stalowym na wysokoĹ&#x203A;ci 15,61 m, trĂłjĹ&#x201A;opatowa (Ĺ&#x203A;rednica 3,5 m, wysokoĹ&#x203A;Ä&#x2021; Ĺ&#x201A;opat 3 m), o mocy znamionowej 5 kW. Generator jest poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czony przez rozdzielnicÄ&#x2122; wyposaĹźonÄ&#x2026; w ukĹ&#x201A;ad zabezpieczeĹ&#x201E; skĹ&#x201A;adajÄ&#x2026;cy siÄ&#x2122; z dwu rozĹ&#x201A;Ä&#x2026;cznikĂłw FR303 32 A i ochronnika przepiÄ&#x2122;Ä&#x2021;, z trĂłjfazowym inwerterem sieciowym TWERD typ PZGS/5,5 kW; turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu (EW2), zainstalowana na maszcie stalowym na wysokoĹ&#x203A;ci 15,27 m trĂłjĹ&#x201A;opatowa (Ĺ&#x203A;rednica 4,8 m), o mocy znamionowej 5 kW, zabezpieczenie i inwerter jak wyĹźej.

Dodatkowo ukĹ&#x201A;ad hybrydowy jest wyposaĹźony w systemem SCADA do rejestracji danych pomiarowych, archiwizacji i wizualizacji pracy systemu. W ramach systemu SCADA elektrowni hybrydowej zintegrowano dane: z komputera PXI (system WSAd), serwera KNX (BMS budynku), serwera iGP (licznik

energii zielonej), dane z inwerterĂłw elektrowni fotowoltaicznej oraz z falownikĂłw elektrowni wiatrowych. Wyniki pomiarĂłw gromadzone sÄ&#x2026; na serwerze bazodanowym, zaĹ&#x203A; bieĹźÄ&#x2026;ca praca elektrowni hybrydowej jest prezentowana na ekranach synoptycznych i na stronie internetowej www.elektrowania.pb.edu.pl.

WielokanaĹ&#x201A;owy system akwizycji danych (WSAd) skĹ&#x201A;ada siÄ&#x2122; z oĹ&#x203A;miu wÄ&#x2122;zĹ&#x201A;Ăłw kontrolno-pomiarowych wykonanych na platformie sprzÄ&#x2122;towej National Instruments: sterowniki cRio9024 z moduĹ&#x201A;ami rozproszonymi (NI-9203, NI-9219, NI-9213, NI-9234). Elementem gĹ&#x201A;Ăłwnym systemu pomiarowego jest komputer PXIe-8108 ze Ĺ&#x203A;rodowiskiem deweloperskim LabVIEW oraz bazÄ&#x2026; danych SQL. Komunikacja miÄ&#x2122;dzy lokalnymi koncentratorami danych cRio, komputerem PXI, bazÄ&#x2026; danych i stacjami roboczymi odbywa siÄ&#x2122; przez sieÄ&#x2021; Ethernet. Lokalne koncentratory danych zbierajÄ&#x2026; informacje z podĹ&#x201A;Ä&#x2026;czonych urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; pomiarowych, a nastÄ&#x2122;pnie udostÄ&#x2122;pniajÄ&#x2026; dane do systemu RT PXI (rys.

1). Lokalnie zastosowano interfejs komunikacyjny RS-485 (NI9871) oraz Ethernet, w tym standard protokoĹ&#x201A;u Modbus [4, 13].

Wykonane przez firmÄ&#x2122; SARW, wedĹ&#x201A;ug powyĹźszych zaĹ&#x201A;oĹźeĹ&#x201E;, narzÄ&#x2122;dzie inĹźynierskie WSAd (okno aplikacji klienckiej jest pokazane na rysunku 1) gromadzi i przetwarza nastÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;ce dane: â&#x2C6;&#x2019; EW1 â&#x20AC;&#x201C; prÄ&#x2026;dy i napiÄ&#x2122;cia na wyjĹ&#x203A;ciu generatora, pomiar haĹ&#x201A;asu, wibracji i prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci wiatru 3D, â&#x2C6;&#x2019; EW2 â&#x20AC;&#x201C; prÄ&#x2026;dy i napiÄ&#x2122;cia na wyjĹ&#x203A;ciu generatora, pomiar haĹ&#x201A;asu i wibracji, â&#x2C6;&#x2019; PV1 â&#x20AC;&#x201C; pomiar temperatury moduĹ&#x201A;Ăłw PV i nasĹ&#x201A;onecznienia,

Rys. 2. NarzÄ&#x2122;dzie inĹźynierskie WSAd â&#x20AC;&#x201C; aplikacja kliencka â&#x20AC;&#x201C; okno pomiarĂłw temperatury paneli fotowoltaicznych i parametrĂłw pracy trackera Fig. 2. WSAd engineering tool â&#x20AC;&#x201C; client application â&#x20AC;&#x201C; visualization of temperature in the photovoltaic modules and tracker parameters

Rys. 1. Architektura systemu pomiarowego [4] Fig. 1. Measurement system architecture [4]

QK

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

â&#x2C6;&#x2019; PV2a i PV2b â&#x20AC;&#x201C; pomiar temperatury moduĹ&#x201A;Ăłw PV i nasĹ&#x201A;onecznienia, â&#x2C6;&#x2019; PV3Â â&#x20AC;&#x201C;Â pomiar temperatury moduĹ&#x201A;Ăłw PV, poĹ&#x201A;oĹźenia osi trackera i nasĹ&#x201A;onecznienia, moduĹ&#x201A; stacji aktynometrycznej oraz stacja meteorologiczna.

W aplikacji klienckiej rozróşnia siÄ&#x2122; cztery podstawowe poziomy dostÄ&#x2122;pu: â&#x2C6;&#x2019; Brak zalogowania â&#x20AC;&#x201C; dostÄ&#x2122;p do bieĹźÄ&#x2026;cego podglÄ&#x2026;du danych, â&#x2C6;&#x2019; InĹźynier â&#x20AC;&#x201C; podglÄ&#x2026;d danych, przebiegi szybkie (oscyloskop), wykresy i tworzenie raportĂłw, â&#x2C6;&#x2019; Administrator â&#x20AC;&#x201C; ma uprawnienia InĹźyniera oraz ma moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; konfigurowania ustawieĹ&#x201E; lokalnych programu (np. czas prĂłbkowania danych do archiwizacji), â&#x2C6;&#x2019; Serwis â&#x20AC;&#x201C; uĹźytkownik specjalny, ma peĹ&#x201A;ne uprawnienia do zarzÄ&#x2026;dzania programem.

Rys. 3. Produkcja energii z panelu nadÄ&#x2026;Ĺźnego i panelu optymalnego w okresie od marca 2015 r. do wrzeĹ&#x203A;nia 2017 r.

Fig. 3. Energy generated by the dual axis and fixed systems during March 2015 to September 2017

U $ %

'( Z analiz przeprowadzonych w ramach realizacji projektu [11] wynika, Ĺźe teren wojewĂłdztwa podlaskiego charakteryzuje siÄ&#x2122; zmiennoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; natÄ&#x2122;Ĺźenia promieniowania sĹ&#x201A;onecznego 975â&#x20AC;&#x201C;1033 kWh/m2 w roku, przy czym Ĺ&#x203A;rednio w roku SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ce operuje przez 1576 godzin. Przeprowadzony, na podstawie pomiarĂłw promieniowania sĹ&#x201A;onecznego stacji aktynometrycznej zainstalowanej w pobliĹźu systemĂłw fotowoltaicznych, bilans promieniowania sĹ&#x201A;onecznego wykazaĹ&#x201A; znaczÄ&#x2026;cy udziaĹ&#x201A; promieniowania rozproszonego (siÄ&#x2122;gajÄ&#x2026;cy 50%) w promieniowaniu caĹ&#x201A;kowitym [11, 14].

Na rysunku 3 przedstawiono miesiÄ&#x2122;czne uzyski energii elektrycznej w okresie od marca 2015 r. do wrzeĹ&#x203A;nia 2017 r. dla dwĂłch paneli fotowoltaicznych: nadÄ&#x2026;Ĺźnego oraz optymalnie ustawionego do pracy caĹ&#x201A;orocznej pod kÄ&#x2026;tem 38Âş w kierunku poĹ&#x201A;udniowym.

Na rysunku 4 przedstawiono w ujÄ&#x2122;ciu procentowym porĂłwnanie produkcji panelu na trackerze w stosunku do panelu optymalnego. W analizowanym okresie panel nadÄ&#x2026;Ĺźny produkowaĹ&#x201A; od 15% do 86% wiÄ&#x2122;cej energii miesiÄ&#x2122;cznie niĹź ukĹ&#x201A;ad optymalny.

W pierwszych trzech miesiÄ&#x2026;cach, tj. w okresie rozruchowym instalacji, róşnica byĹ&#x201A;a znacznie niĹźsza (okoĹ&#x201A;o 7â&#x20AC;&#x201C;9%), co wynikaĹ&#x201A;o z doĹ&#x203A;Ä&#x2021; czÄ&#x2122;stych wyĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeĹ&#x201E; systemu sterowania dwuosiowego ukĹ&#x201A;adu nadÄ&#x2026;Ĺźnego.

NaleĹźy zauwaĹźyÄ&#x2021;, Ĺźe w ujÄ&#x2122;ciu procentowym najwiÄ&#x2122;kszÄ&#x2026; róşnicÄ&#x2122; uzyskano w miesiÄ&#x2026;cu zimowym, tj. styczniu 2017 r. i byĹ&#x201A;o to 86% przy produkcji panelu optymalnego na poziomie 34,67 kWh. NajwiÄ&#x2122;kszÄ&#x2026; produkcjÄ&#x2122; zanotowano w czerwcu 2016 r. â&#x20AC;&#x201C; 709,78 kWh, co stanowiĹ&#x201A;o ponad 169% produkcji panelu staĹ&#x201A;ego.

Na rysunku 5 przedstawiono wartoĹ&#x203A;ci skumulowanej produkcji energii w analizowanym okresie oddzielnie dla kaĹźdego z paneli oraz w ujÄ&#x2122;ciu procentowym, gdzie pozycja 1 obejmuje caĹ&#x201A;y analizowany okres, pozycja 2 obejmuje 28 ostatnich miesiÄ&#x2122;cy od czerwca 2017 r. do wrzeĹ&#x203A;nia 2017 r, pozycja 3 obejmuje okres 12 ostatnich miesiÄ&#x2122;cy od paĹşdziernika 2016 r. do wrzeĹ&#x203A;nia 2017 r., pozycja 4 â&#x20AC;&#x201C; 12 miesiÄ&#x2122;cy (od paĹşdziernika 2015 r. do

Rys. 4. Ĺ&#x161;redniomiesiÄ&#x2122;czna wydajnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; panelu nadÄ&#x2026;Ĺźnego w stosunku do panelu optymalnego Fig. 4. Monthly average performance of dual axis panels over fixed panels

Rys. 5. PorĂłwnanie caĹ&#x201A;kowitej i rocznej wydajnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; nadÄ&#x2026;Ĺźnej instalacji fotowoltaicznej w stosunku do instalacji o staĹ&#x201A;ym kÄ&#x2026;cie pochylenia Fig. 5. Overall and annual efficiency of the dual axis system as compare to fixed tilted system

Qg

@ ! ] ! ; ; ! ! # ; rze astronomicznym [10], lub na czujniku optycznym [3, 6] lub systemy kombinowane Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;czÄ&#x2026;ce oba rozwiÄ&#x2026;zania [2, 12].

Dla przedstawionego na rys. 6. pogodnego dnia przeprowadzono badania zmiany caĹ&#x201A;kowitego natÄ&#x2122;Ĺźenia promieniowania na pĹ&#x201A;aszczyĹşnie panelu nadÄ&#x2026;Ĺźnego przy Âą10° odchylenia w dwĂłch osiach ukĹ&#x201A;adu nadÄ&#x2026;Ĺźnego wzglÄ&#x2122;dem nominalnej trajektorii SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca. Badania wykonano przy nastÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;cych warunkach: natÄ&#x2122;Ĺźenie promieniowania bezpoĹ&#x203A;redniego: 890 W/m2 Âą5 W/m2, natÄ&#x2122;Ĺźenie promieniowania rozproszonego w pĹ&#x201A;aszczyĹşnie poziomej: 56 W/m2, poĹ&#x201A;oĹźenie SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca: azymut od 160° do 200°, wysokoĹ&#x203A;Ä&#x2021; od 45,6° do 47,0°.

Zmierzona wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; nominalnego promieniowania w pĹ&#x201A;aszczyĹşnie panelu nadÄ&#x2026;Ĺźnego ustawionego optymalnie do SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca, tj. zerowe odchyĹ&#x201A;ki wzglÄ&#x2122;dem azymutu i wysokoĹ&#x203A;ci, wynosiĹ&#x201A;a okoĹ&#x201A;o 967,7 W/m2.

Procentowa zmiana caĹ&#x201A;kowitego natÄ&#x2122;Ĺźenia promieniowania w pĹ&#x201A;aszczyĹşnie panelu nadÄ&#x2026;Ĺźnego przy Âą10° odchyleniu pozycji trackera wzglÄ&#x2122;dem trajektorii SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca wahaĹ&#x201A;a siÄ&#x2122; w granicach 99,2â&#x20AC;&#x201C;95,9% wartoĹ&#x203A;ci nominalnej. Z otrzymanych pomiarĂłw wynika, Ĺźe w badanej lokalizacji dopuszczalny jest niewielki bĹ&#x201A;Ä&#x2026;d Ĺ&#x203A;ledzenia poĹ&#x201A;oĹźenia SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca przez tracker, poniewaĹź odchylenia rzÄ&#x2122;du Âą2% od ustawienia optymalnego tylko nieznacznie (spadek o 1% caĹ&#x201A;kowitej irradiancji) wpĹ&#x201A;ywajÄ&#x2026; na sprawnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; konwersji energii Ĺ&#x203A;wietlnej na elektrycznÄ&#x2026;. Z powyĹźszego wynika, Ĺźe sterowanie w ukĹ&#x201A;adzie otwartym jest ekonomicznie uzasadnionym wyborem.

Dla BiaĹ&#x201A;egostoku miejsca wschodu i zachodu SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca w porze przesileĹ&#x201E; (rys. 7) zmieniajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; od 47Âş do 130Âş oraz 230Âş do 312Âş, odpowiednio. Natomiast wysokoĹ&#x203A;Ä&#x2021; SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca zmienia siÄ&#x2122; od 13Âş do 60Âş. Oznacza to, Ĺźe dla lokalizacji w pĂłĹ&#x201A;nocno-wschodniej Polsce jedynie trackery dwuosiowe, ktĂłrych kÄ&#x2026;t obrotu w azymucie (wschĂłdâ&#x20AC;&#x201C;zachĂłd) wynosi co najmniej 260° (Âą130Âş), natomiast zmiana kÄ&#x2026;ta wysokoĹ&#x203A;ci (pĂłĹ&#x201A;nocâ&#x20AC;&#x201C;poĹ&#x201A;udnie) â&#x20AC;&#x201C; minimum 60°, zapewniajÄ&#x2026; maksymalny uzysk energii elektrycznej w kaĹźdym okresie roku.

Optymalna konstrukcja ukĹ&#x201A;adu nadÄ&#x2026;Ĺźnego powinna skĹ&#x201A;adaÄ&#x2021; siÄ&#x2122; z siĹ&#x201A;ownika liniowego do sterowania osiÄ&#x2026; pionowÄ&#x2026; trackera w zakresie od 0° do 90°, aby zapewniÄ&#x2021; Ĺ&#x203A;ledzenie wysokoĹ&#x203A;ci SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca oraz napÄ&#x2122;du obrotowego (obrotnicy) w zakresie Â&#x2022; 260°, aby zapewniÄ&#x2021; Ĺ&#x203A;ledzenie azymutu SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca. Ĺ&#x161;rednia prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca w azymucie wynosi okoĹ&#x201A;o 0,25 stopnia na minutÄ&#x2122; (tj.

0,000694 rpm), co pozwala zastosowaÄ&#x2021; ukĹ&#x201A;ady napÄ&#x2122;dowe o maĹ&#x201A;ej mocy w poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeniu z przekĹ&#x201A;adniami o duĹźym przeĹ&#x201A;oĹźeniu, ktĂłre gwarantujÄ&#x2026; wysokÄ&#x2026; precyzjÄ&#x2122; pozycjonowania. NaleĹźy zauwaĹźyÄ&#x2021;, Ĺźe zastosowanie siĹ&#x201A;ownika liniowego do sterowania osiÄ&#x2026; azymutu

wrzeĹ&#x203A;nia 2016 r.). Panel nadÄ&#x2026;Ĺźny wyprodukowaĹ&#x201A; w badanym okresie o 38% (42,87% w okresie 28 miesiÄ&#x2122;cy bezawaryjnej pracy ukĹ&#x201A;adu nadÄ&#x2026;Ĺźnego) brutto wiÄ&#x2122;cej energii niĹź ukĹ&#x201A;ad optymalny.

Za ostatnie 12 miesiÄ&#x2122;cy (pozycja 3 na rys. 5) osiÄ&#x2026;gniÄ&#x2122;to wzrost o 43,23%. ZÂ dotychczasowych wynikĂłw moĹźna wnioskowaÄ&#x2021;, Ĺźe moĹźliwoĹ&#x203A;ci wytwĂłrcze panelu nadÄ&#x2026;Ĺźnego charakteryzujÄ&#x2026; siÄ&#x2122; lepszym o co najmniej 42% Ĺ&#x203A;rednio w roku uzyskiem energii elektrycznej brutto w stosunku do panelu ustawionego optymalnie.

W ramach projektu [11] dokonano teĹź analizy opĹ&#x201A;acalnoĹ&#x203A;ci inwestycji w systemy wytwarzania energii elektrycznej bazujÄ&#x2026;ce na ĹşrĂłdĹ&#x201A;ach odnawialnych maĹ&#x201A;ej mocy, zainstalowanych w terenie zurbanizowanym w pĂłĹ&#x201A;nocno-wschodniej Polsce.

Opracowane modele analityczne przeznaczone do analizy opĹ&#x201A;acalnoĹ&#x203A;ci inwestycyjnej bazujÄ&#x2026; na istniejÄ&#x2026;cych modelach [11].

Dofinansowanie kosztĂłw inwestycji na poziomie 85% ze Ĺ&#x203A;rodkĂłw europejskich pozwala na uzyskanie zwrotu z inwestycji w mikroinstalacjÄ&#x2122; fotowoltaicznÄ&#x2026; po okoĹ&#x201A;o 5,5 roku w przypadku panelu ustawionego optymalnie do SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca, natomiast dla panelu nadÄ&#x2026;Ĺźnego w 6 lat. Mimo tego, Ĺźe uzyskiwana Ĺ&#x203A;rednioroczna produkcja energii z panelu nadÄ&#x2026;Ĺźnego jest wiÄ&#x2122;ksza niĹź z panelu optymalnego, to dĹ&#x201A;uĹźszy czas zwrotu z inwestycji wynika z wyĹźszych kosztĂłw inwestycyjnych. Przy czym moĹźna wyróşniÄ&#x2021; koszty staĹ&#x201A;e â&#x20AC;&#x201C; koszt dwuosiowego ukĹ&#x201A;adu nadÄ&#x2026;Ĺźnego z systemem sterowania w ukĹ&#x201A;adzie otwartym oraz koszty zmienne zwiÄ&#x2026;zane z konstrukcjÄ&#x2026; wsporczÄ&#x2026; trackera.

Z powyĹźszego wynika, Ĺźe instalacja panelu nadÄ&#x2026;Ĺźnego jest efektywna ekonomicznie, jeĹźeli Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;czne koszty inwestycji nie przekroczÄ&#x2026; 140% kosztĂłw systemu PV mocowanego na staĹ&#x201A;e do dachu lub na ziemi. PozaekonomicznÄ&#x2026; przesĹ&#x201A;ankÄ&#x2026; do wyboru panelu nadÄ&#x2026;Ĺźnego w terenie zurbanizowanym moĹźe byÄ&#x2021; brak wystarczajÄ&#x2026;cej powierzchni pod zabudowÄ&#x2122; zwiÄ&#x2122;kszonej liczby moduĹ&#x201A;Ăłw fotowoltaicznych.

$

%

& '( &

W celu poprawy uzyskĂłw energii elektrycznej stosuje siÄ&#x2122; montaĹź moduĹ&#x201A;Ăłw fotowoltaicznych na trackerach solarnych, ktĂłrych ukĹ&#x201A;ad nadÄ&#x2026;Ĺźny Ĺ&#x203A;ledzi ruch SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca po nieboskĹ&#x201A;onie. Maksymalizacja konwersji energii sĹ&#x201A;onecznej na energiÄ&#x2122; elektrycznÄ&#x2026; jest wĂłwczas, gdy pĹ&#x201A;aszczyzna moduĹ&#x201A;Ăłw PV jest prostopadĹ&#x201A;a do kÄ&#x2026;ta padania bezpoĹ&#x203A;redniego promieniowania sĹ&#x201A;onecznego o kaĹźdej porze dnia i roku.

W literaturze moĹźna znaleĹşÄ&#x2021; wiele prac na temat algorytmĂłw wyznaczania pozycji SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca [1, 7, 9], rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; ukĹ&#x201A;adĂłw nadÄ&#x2026;Ĺźnych jedno- i dwuosiowych sterowanych w ukĹ&#x201A;adzie otwartym lub zamkniÄ&#x2122;tym [5], przy czym sterowanie oparte jest na zega-

a)

b)

Rys. 6. a) ZmiennoĹ&#x203A;Ä&#x2021; w czasie natÄ&#x2122;Ĺźenia promieniowania sĹ&#x201A;onecznego na pĹ&#x201A;aszczyĹźnie panelu nadÄ&#x2026;Ĺźnego/staĹ&#x201A;ego oraz DNI/GHI w sĹ&#x201A;oneczny dzieĹ&#x201E;, b) Dobowa produkcja energii elektrycznej przez moduĹ&#x201A;y fotowoltaiczne w sĹ&#x201A;oneczny dzieĹ&#x201E; Fig. 6. a) Dual axis panel irradiance/fixed axis panel irradiance and DNI/GHI versus time on a clear day. b) Energy production by photovoltaic systems during a clear day

QM

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

a)

b)

Rys. 7. Rzeczywisty kÄ&#x2026;t azymutu i kÄ&#x2026;t osi pionowej (dopeĹ&#x201A;nienia kÄ&#x2026;ta wysokoĹ&#x203A;ci) dwuosiowego ukĹ&#x201A;adu nadÄ&#x2026;Ĺźnego Fig. 7. The actual azimuth angle and the vertical axis angle (complement of the angle of elevation) of dual axis tracker

trackera powoduje technologiczne ograniczenie kÄ&#x2026;ta obrotu trackera do Âą80Âş wzglÄ&#x2122;dem kierunku poĹ&#x201A;udniowego.

W analizowanym przypadku panel fotowoltaiczny zostaĹ&#x201A; zamontowany na dwuosiowym ukĹ&#x201A;adzie nadÄ&#x2026;Ĺźnym, w ktĂłrym: â&#x2C6;&#x2019; kÄ&#x2026;t obrotu wschĂłdâ&#x20AC;&#x201C;zachĂłd wynosi 270° (tj. azymut SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca od 45° do 315°), napÄ&#x2122;d obrotowy z trĂłjfazowym silnikiem asynchronicznym 90 W/0,4 kV AC i przekĹ&#x201A;adniÄ&#x2026;, prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; 0,00815 rpm (20,44 s na 1Âş kÄ&#x2026;ta azymutu), zabezpieczenie i pozycjonowanie â&#x20AC;&#x201C; dwie kraĹ&#x201E;cĂłwki ze stykami rozwiernymi, â&#x2C6;&#x2019; kÄ&#x2026;t obrotu pĂłĹ&#x201A;nocâ&#x20AC;&#x201C;poĹ&#x201A;udnie wynosi 80° (tj. wysokoĹ&#x203A;Ä&#x2021; SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca 10° do 90°), napÄ&#x2122;d liniowy z silnikiem prÄ&#x2026;du staĹ&#x201A;ego 90 W/24 V DC z dwoma wbudowanymi kraĹ&#x201E;cĂłwkami, 3,9 s na 1Âş kÄ&#x2026;ta wysokoĹ&#x203A;ci, â&#x2C6;&#x2019; sterowanie staĹ&#x201A;oczasowe w ukĹ&#x201A;adzie otwartym na podstawie wyliczonej pozycji SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca (algorytm zegarowy) przez sterownik firmy Taian Xinpeng Energy Science and Technology, deklarowana dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; Ĺ&#x203A;ledzenia 0,5Âş, â&#x2C6;&#x2019; dodatkowe wyposaĹźenie: czujnik wiatru, podtrzymanie danych, port RS-485.

Ponadto ukĹ&#x201A;ad nadÄ&#x2026;Ĺźny zostaĹ&#x201A; wyposaĹźony w czujniki poĹ&#x201A;oĹźenia: dwuosiowy inklinometr Tiltix ACS 080 Modbus RTU i enkoder jednoobrotowy absolutny IXARC (typ MCDAV002-0412-R060-CAW) oraz pyranometr Delta OHM LP PYRA 03 S. UrzÄ&#x2026;dzenia pomiarowe zostaĹ&#x201A;y podĹ&#x201A;Ä&#x2026;czone do systemu pomiarowego WSAd [4, 13].

W okresie rozruchowym stwierdzono, Ĺźe styczniki silnikĂłw wykonawczych w ukĹ&#x201A;adzie sterowania nie sÄ&#x2026; zabezpieczone od przepiÄ&#x2122;Ä&#x2021; Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;czeniowych. Do ograniczenia przepiÄ&#x2122;Ä&#x2021; zastosowano dwukierunkowe diody Transil: silnik AC â&#x20AC;&#x201C; 1.5KE400CA, silnik DC â&#x20AC;&#x201C; 1.5KE30CA. W okresie od czerwca 2015 r. do wrzeĹ&#x203A;nia 2017 r. dwuosiowy solarny ukĹ&#x201A;ad nadÄ&#x2026;Ĺźy pracowaĹ&#x201A; bezawaryjnie.

Na rysunku 7 przedstawiono zmierzone przebiegi poĹ&#x201A;oĹźenia osi trackera w dniach przesileĹ&#x201E;, gdzie kÄ&#x2026;t azymutu trackera podany jest we wspĂłĹ&#x201A;rzÄ&#x2122;dnych astronomicznych, czyli odpowiada azymutowi SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca. Natomiast kÄ&#x2026;t osi pionowej jest dopeĹ&#x201A;nieniem kÄ&#x2026;ta wysokoĹ&#x203A;ci SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca do 90°. W celu weryfikacji poprawnoĹ&#x203A;ci wynikĂłw wykorzystano kalkulator poĹ&#x201A;oĹźenia sĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca NOAA Solar Calculator (www.esrl.noaa.gov/gmd/grad/solcalc/). Stwierdzono, Ĺźe osiÄ&#x2026;gana dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; sterowania osiÄ&#x2026; azymutu trackera (Âą0,5°) jest zgodna z deklaracjÄ&#x2026; producenta, zaĹ&#x203A; maksymalny bĹ&#x201A;Ä&#x2026;d pozycjonowania osi pionowej wynosi +6° w stosunku do rzeczywistego kÄ&#x2026;ta wysokoĹ&#x203A;ci SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca.

W trybie automatycznym sterownik po zmianie wysokoĹ&#x203A;ci SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca o 1° uruchamia siĹ&#x201A;ownik liniowy na zadany czas 3,9 s.

Ze wzglÄ&#x2122;du na konstrukcjÄ&#x2122; trackera zmiana kÄ&#x2026;ta nachylenia osi pionowej zaleĹźy nieliniowo od posuwu siĹ&#x201A;ownika liniowego, natomiast realizowany algorytm sterowania tego nie uwzglÄ&#x2122;dnia.

Na rysunku 8 przedstawiono ruch osi pionowej ukĹ&#x201A;adu nadÄ&#x2026;Ĺźnego w trybie pracy manualnej dla dwĂłch przypadkĂłw: ruch do doĹ&#x201A;u, tj. z pozycji horyzontalnej moduĹ&#x201A;Ăłw do pozycji wertykal-

Rys. 8. PorĂłwnanie poĹźÄ&#x2026;danego (czarna linia) i rzeczywistego kÄ&#x2026;ta nachylenia osi pionowej Fig. 8. Comparison between desired (black line) and actual angle of inclination of the vertical axis

nej i ruch do gĂłry, tj. z pozycji pionowej moduĹ&#x201A;Ăłw do pozycji poziomej.

W badanej instalacji moĹźna oszacowaÄ&#x2021; rocznÄ&#x2026; stratÄ&#x2122; w produkcji energii na poziomie nie wiÄ&#x2122;kszym niĹź 50 kWh spowodowanÄ&#x2026; bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dem pozycjonowania osi pionowej. Oznacza to, Ĺźe aby osiÄ&#x2026;gnÄ&#x2026;Ä&#x2021; zadanÄ&#x2026; dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; Ĺ&#x203A;ledzenia SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca (Âą0,5°), wymagane jest skorelowanie algorytmu sterowania czasem zaĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenia siĹ&#x201A;ownika liniowego z bieĹźÄ&#x2026;cym kÄ&#x2026;tem nachylenia osi trackera.

ZaleĹźnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; tÄ&#x2122; moĹźna wyznaczyÄ&#x2021; z twierdzenia cosinusĂłw dla trĂłjkÄ&#x2026;ta, ktĂłry tworzy ramiÄ&#x2122; siĹ&#x201A;ownika z pĹ&#x201A;aszczyznÄ&#x2026; moduĹ&#x201A;Ăłw fotowoltaicznych oraz punktem mocowania siĹ&#x201A;ownika do masztu trackera. Dla badanej konstrukcji sÄ&#x2026; to wartoĹ&#x203A;ci staĹ&#x201A;e (rys. 9) i wynoszÄ&#x2026; d2 = 88 cm i d1 = 82 cm, kÄ&#x2026;t zawarty miÄ&#x2122;dzy nimi zmienia siÄ&#x2122; od Îąk = 52° do 132° (pozycja wertykalna panelu, kÄ&#x2026;t osi pionowej 80°). Czas wysuwu waĹ&#x201A;u siĹ&#x201A;ownika wynosi okoĹ&#x201A;o 306 s. Czas pracy siĹ&#x201A;ownika dla kolejnego kroku moĹźna wyznaczyÄ&#x2021; z nastÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;cej zaleĹźnoĹ&#x203A;ci: tn + 1 =

d12 + d22 â&#x2C6;&#x2019; 2d1d2 cos Îąn +1 â&#x2C6;&#x2019; sn â&#x2039;&#x2026; tw á Î&#x201D;s ,

gdzie: tn+1 â&#x20AC;&#x201C; czas zaĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenia siĹ&#x201A;ownika liniowego, Î&#x201D;s â&#x20AC;&#x201C; przyrost wysuwu waĹ&#x201A;u w jednostce czasu tw, sn â&#x20AC;&#x201C; poprzedni wyliczony wysuw waĹ&#x201A;u, Îąn+1 = Îąk + 90 â&#x20AC;&#x201C; ÎąEl â&#x20AC;&#x201C; wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; kÄ&#x2026;ta przeciwlegĹ&#x201A;ego siĹ&#x201A;ownikowi dla danego kÄ&#x2026;ta wysokoĹ&#x203A;ci SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca ÎąEl. NaleĹźy zauwaĹźyÄ&#x2021;, Ĺźe proponowane rozwiÄ&#x2026;zanie nie generuje dodatkowych kosztĂłw. Jedynie na etapie wprowadzania parametrĂłw do sterownika naleĹźy wpisaÄ&#x2021; wartoĹ&#x203A;ci konstrukcyjne d1, d2, Îąk oraz wspĂłĹ&#x201A;rzÄ&#x2122;dne geograficzne lokalizacji trackera oraz wymagane wartoĹ&#x203A;ci kÄ&#x2026;ta nachylenia osi pionowej trackera w poĹ&#x201A;oĹźeniach kraĹ&#x201E;cowych. WartoĹ&#x203A;ci tw, Î&#x201D;s sÄ&#x2026; staĹ&#x201A;e dla danego typu

15

@ ! ] ! ; ; ! ! # ;

[ .

n 1

Z prowadzanych od 32 miesiÄ&#x2122;cy badaĹ&#x201E; instalacji fotowoltaicznej wynika, Ĺźe moĹźliwe jest zwiÄ&#x2122;kszenie o 40% efektywnoĹ&#x203A;ci konwersji energii Ĺ&#x203A;wietlnej na energiÄ&#x2122; elektrycznÄ&#x2026; (wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; netto) przez zastosowanie paneli nadÄ&#x2026;Ĺźnych. BarierÄ&#x2026; sÄ&#x2026; jednak w dalszym ciÄ&#x2026;gu znaczne koszty zakupu i instalacji dwuosiowego ukĹ&#x201A;adu nadÄ&#x2026;Ĺźnego, a takĹźe koszty eksploatacji systemu sterowania oraz jego niezawodnoĹ&#x203A;Ä&#x2021;.

Z przedstawionej analizy wydajnoĹ&#x203A;ci dwuosiowego solarnego ukĹ&#x201A;adu nadÄ&#x2026;Ĺźnego wynikajÄ&#x2026; nastÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;ce wnioski i zalecenia: â&#x2C6;&#x2019; Zastosowanie dwuosiowego ukĹ&#x201A;adu nadÄ&#x2026;Ĺźnego z systemem staĹ&#x201A;oczasowego sterowania w ukĹ&#x201A;adzie otwartym jest ekonomicznie uzasadnione oraz wystarczajÄ&#x2026;ce, aby osiÄ&#x2026;gnÄ&#x2026;Ä&#x2021; dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; Ĺ&#x203A;ledzenia SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca Âą0,5°, pod warunkiem zastosowania zmiennoczasowego algorytmu sterowania osiÄ&#x2026; pionowÄ&#x2026; ukĹ&#x201A;adu nadÄ&#x2026;Ĺźnego, skorelowanego z wysokoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; SĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ca; â&#x2C6;&#x2019; Algorytm sterowania naleĹźy implementowaÄ&#x2021; w nadrzÄ&#x2122;dnym sterowniku PLC, ktĂłry wedĹ&#x201A;ug najnowszych koncepcji inteligentnego budynku z instalacjÄ&#x2026; PME [np. 8, 11] integruje automatykÄ&#x2122; budynku, smart grid oraz prosumenckÄ&#x2026; mikroinstalacjÄ&#x2122;. Elementy pomiarowe i wykonawcze (m.in. styczniki) pozostajÄ&#x2026; integralnÄ&#x2026; czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ciÄ&#x2026; dwuosiowego ukĹ&#x201A;adu nadÄ&#x2026;Ĺźnego. DostÄ&#x2122;pne obecnie na rynku sterowniki PLC majÄ&#x2026; wbudowane kalkulatory sĹ&#x201A;oneczne, np. S7-1200: SPA_Calc_Sun_Vector oraz specjalizowane bloki komunikacyjne KNX, Modbus. Zaproponowane rozwiÄ&#x2026;zanie ogranicza koszty staĹ&#x201A;e instalacji, zwiÄ&#x2122;ksza niezawodnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; rozwiÄ&#x2026;zania oraz powala na zarzÄ&#x2026;dzanie caĹ&#x201A;ym systemem z jednej aplikacji; â&#x2C6;&#x2019; W efektywnej pracy ukĹ&#x201A;adu nadÄ&#x2026;Ĺźnego istotnym elementem jest jego poprawna konfiguracja i parametryzacja, w tym precyzyjne ustawienie kraĹ&#x201E;cĂłwek w azymucie i osi pionowej. RozwiÄ&#x2026;zaniem docelowym jest opracowanie procedury autostrojenia dla danego typu konstrukcji trackera i domyĹ&#x203A;lnych ustawieĹ&#x201E; poczÄ&#x2026;tkowych i koĹ&#x201E;cowych poĹ&#x201A;oĹźenia panelu, w tym automatyczne pobieranie wspĂłĹ&#x201A;rzÄ&#x2122;dnych geograficznych poprzez aplikacjÄ&#x2122; zarzÄ&#x2026;dzajÄ&#x2026;cÄ&#x2026;.

W dalszych pracach badawczych planuje siÄ&#x2122; opracowanie i zintegrowanie systemu sterowania na sterowniku PLC typu SIMATIC S7-1214.

d1

k

d2

Rys. 9. Dwuosiowy solarny ukĹ&#x201A;ad nadÄ&#x2026;Ĺźny Fig. 9. Dual axis solar tracking system

siĹ&#x201A;ownika liniowego. Przeprowadzone symulacje w programie MATLAB z uwzglÄ&#x2122;dnieniem zmierzonego czasu wysuwu waĹ&#x201A;u siĹ&#x201A;ownika potwierdziĹ&#x201A;y poprawnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; zaleĹźnoĹ&#x203A;ci (1), tj. uzyskano przebieg (linia zielona) podany na rys. 8 oraz zakĹ&#x201A;adanÄ&#x2026; dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; sterowania osiÄ&#x2026; pionowÄ&#x2026; trackera (Âą0,5°).

Istotnym elementem w ocenie efektywnoĹ&#x203A;ci wytwarzania energii (tj. energii netto) przez panel nadÄ&#x2026;Ĺźny jest koszt sterowania. Metodologia wyliczenia kosztĂłw staĹ&#x201A;ych i zmiennych zostaĹ&#x201A;a podana w [9]. W pracy skupiono siÄ&#x2122; nad oszacowaniem kosztĂłw zmiennych zwiÄ&#x2026;zanych z elementami wykonawczymi ukĹ&#x201A;adu nadÄ&#x2026;Ĺźnego. Koszty staĹ&#x201A;e zwiÄ&#x2026;zane z zuĹźyciem energii przez sterownik sÄ&#x2026; pomijalnie maĹ&#x201A;e. UwzglÄ&#x2122;dniajÄ&#x2026;c maksymalny zakres ruchu osi ukĹ&#x201A;adu nadÄ&#x2026;Ĺźnego w dniach przesileĹ&#x201E;, pokazane na rys. 7, otrzymamy: czas pracy napÄ&#x2122;du obrotowego: od 2h 6m 0s do 3h 0m 30s, czas pracy napÄ&#x2122;du liniowego: od 0h 12m 0s do 0h 17m 0s.

Zatem zuĹźycie energii przez silniki wykonawcze moĹźemy oszacowaÄ&#x2021; od 0,2k Wh w okresie zimowym do 0,3Â kWh w okresie letnim, przy czym naleĹźy pamiÄ&#x2122;taÄ&#x2021;, Ĺźe przy sterowaniu staĹ&#x201A;oczasowym wystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026; dodatkowe straty Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;czeniowe. Roczne zuĹźycie energii przez ukĹ&#x201A;ad nadÄ&#x2026;Ĺźny wynosi okoĹ&#x201A;o 110 kWh, co stanowi okoĹ&#x201A;o 2,5â&#x20AC;&#x201C;2,8% produkcji 3 kWp panelu fotowoltaicznego zamontowanego na ukĹ&#x201A;adzie nadÄ&#x2026;Ĺźnym. Z dotychczasowych wynikĂłw moĹźna wnioskowaÄ&#x2021;, Ĺźe moĹźliwoĹ&#x203A;ci wytwĂłrcze panelu nadÄ&#x2026;Ĺźnego charakteryzujÄ&#x2026; siÄ&#x2122; lepszym o co najmniej 40% Ĺ&#x203A;rednio w roku uzyskiem energii elektrycznej netto w stosunku do panelu ustawionego optymalnie.

W analizowanym ukĹ&#x201A;adzie nadÄ&#x2026;Ĺźnym jako pozycjÄ&#x2122; spoczynkowÄ&#x2026; (nocnÄ&#x2026;) przyjÄ&#x2122;to skrajne poĹ&#x201A;oĹźenie wschodnie â&#x20AC;&#x201C; 45° oraz pozycjÄ&#x2122; horyzontalnÄ&#x2026; â&#x20AC;&#x201C; 0°. Ze wzglÄ&#x2122;dĂłw bezpieczeĹ&#x201E;stwa w przypadku duĹźych prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci wiatru (min 18 m/s) ukĹ&#x201A;ad nadÄ&#x2026;Ĺźny przyjmuje poĹ&#x201A;oĹźenie bezpieczne, tj. pozycjÄ&#x2122; horyzontalnÄ&#x2026; oraz wstrzymuje pracÄ&#x2122; napÄ&#x2122;du obrotowego. W badanym okresie zarejestrowano zaledwie kilka przypadkĂłw przyjÄ&#x2122;cia pozycji bezpiecznej. Ponadto w badanej lokalizacji, w okresie od 23 wrzeĹ&#x203A;nia do 21 marca ruch w osi azymutu ukĹ&#x201A;adu nadÄ&#x2026;Ĺźnego wystarczy rozpoczynaÄ&#x2021; od azymutu 90° zamiast od pozycji 45°.

UwzglÄ&#x2122;dniajÄ&#x2026;c powyĹźsze rozwaĹźania moĹźliwe sÄ&#x2026; kolejne modyfikacje algorytmu sterowania: pozycja wertykalna panelu w nocy przy dopuszczalnych warunkach pogodowych, dodatkowa kraĹ&#x201E;cĂłwka na azymucie 90° jako pozycja poczÄ&#x2026;tkowa w azymucie na okres jesieĹ&#x201E;â&#x20AC;&#x201C;wiosna, ktĂłre pozwolÄ&#x2026; uzyskaÄ&#x2021; oszczÄ&#x2122;dnoĹ&#x203A;ci w zuĹźyciu energii rzÄ&#x2122;du 30% w okresie jesieĹ&#x201E;â&#x20AC;&#x201C;wiosna i 9% w okresie letnim.

QF

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

.

6

Badania zostaĹ&#x201A;y zrealizowane w ramach pracy nr S/WE/1/2016 i sfinansowane ze Ĺ&#x203A;rodkĂłw na naukÄ&#x2122; MNiSW.

X & 1. Bhattarai A., Performance and cost analysis of solar photovoltaics tracking systems operating in different weather conditions. Masterâ&#x20AC;&#x2122;s thesis, Lappeenranta University of Technology, 2016.

2. BugaĹ&#x201A;a A., Analiza efektywnoĹ&#x203A;ci konwersji promieniowania sĹ&#x201A;onecznego na energiÄ&#x2122; elektrycznÄ&#x2026; w wyniku stosowania ukĹ&#x201A;adĂłw nadÄ&#x2026;Ĺźnych dla warunkĂłw klimatycznych Polski.

Rozprawa doktorska, Politechnika PoznaĹ&#x201E;ska, 2016.

3. Deepthi S., Ponni A., Ranjitha R, Dhanabal R., Comparison of Efficiencies of Single-Axis Tracking System and Dual-Axis Tracking System with Fixed Mount. â&#x20AC;&#x153;International Journal of Engineering Science and Innovative Technologyâ&#x20AC;?, Vol. 2, Iss. 2, 2013, 424â&#x20AC;&#x201C;430.

4. WielokanaĹ&#x201A;owy System Akwizycji Danych â&#x20AC;&#x201C; instrukcja obsĹ&#x201A;ugi, SARW, 2015.

5. Lee Ch., Chou P., Chiang Ch., Lin Ch., Sun Tracking Systems: A Review. â&#x20AC;&#x153;Sensorsâ&#x20AC;?, Vol. 9, Iss. 5, 2009, 3875â&#x20AC;&#x201C;3890, DOI: 10.3390/s90503875.

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

6. Othman N., Manan M.I.A., Othman Z., Al Junid S.A.M., Performance Analysis of Dual-axis Solar Tracking System. 2013 IEEE International Conference on Control System, Computing and Engineering, Penang, Malaysia, DOI: 10.1109/ICCSCE.2013.6719992.

7. Ozcelika S., Prakashb H., Challooc R., Two-Axis Solar Tracker Analysis and Control for Maximum Power Generation. â&#x20AC;&#x153;Procedia Computer Scienceâ&#x20AC;?, Vol. 6, 2011, 457â&#x20AC;&#x201C;462, DOI: 10.1016/j.procs.2011.08.085.

8. Popczyk J., Zygmanowski M., Michalak J., Kielan P., Fice M., Koncepcja prosumenckiej mikroinstalacji energetycznej (PME) wg iLab EPRO. BĹťEP, 2013.

9. Prinsloo G., Dobson R.T., Solar Tracking. eBook, 2015.

10. Rao R.R., Swetha H.R., Srinivasan J., Ramasesha S.K., Comparison of performance of solar photovoltaics on dual axis tracker with fixed axis at 13ÂşN latitude. â&#x20AC;&#x153;Current Scienceâ&#x20AC;?, Vol. 108, No. 11, 2015, 2087â&#x20AC;&#x201C;2094.

11. Raport pod red. Banaszuk P., Badanie skutecznoĹ&#x203A;ci aktywnych i pasywnych metod poprawy efektywnoĹ&#x203A;ci energetycznej infrastruktury z wykorzystaniem odnawialnych ĹşrĂłdeĹ&#x201A; energii. Politechnika BiaĹ&#x201A;ostocka, 2015.

12. Renzi M., Santolini M., Comodi G., Performance analysis of a 3.5 kWp CPV system with two-axis tracker. â&#x20AC;&#x153;Energy Procediaâ&#x20AC;?, Vol. 61, 2014, 220â&#x20AC;&#x201C;224, DOI: 10.1016/j.egypro.2014.11.1075.

13. Walendziuk W., Using the LabVIEW Environment for Measurement of a Small Hybrid Power System at Bialystok University of Technology. Case study, NI 2016, http:// sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-17264.

14. Zajkowski M., Prorok M., Analiza propagacji promieniowania sĹ&#x201A;onecznego w systemach solarnych typu â&#x20AC;&#x17E;zimny dachâ&#x20AC;?. â&#x20AC;&#x17E;PrzeglÄ&#x2026;d Elektrotechnicznyâ&#x20AC;?, R. 91, Nr 7, 2015, 89â&#x20AC;&#x201C;92.

0 " > 0 @>U < = " Abstract: The paper presents the experimental operational results of dual-axis solar tracking system during March 2015 to September 2017. The analysed plant, with a total capacity 3 kWp, is installed in the campus of Bialystok University of Technology (Bialystok, north-east Poland). The performance of the solar tracker was analysed and compared with the static solar panel. The influence of the solar tracking system on the photovoltaic power generation in the urban area using the case study of the Bialystok city is discussed. The results show that the two-axis tracking system has increased the annual energy production by approximately 40% compared with that obtained from the fixed panel tilted at 38° towards the south. The method for improving accuracy of control algorithm on the dual-axis solar tracker is presented.

Keywords: @ U = " " " " = " ! VU

2

$ #

% ) E% % >E / K = @ B % CE @ ( > " @ K / K @ = B % 0 R @ / M % H M E M G MT " " I= @ M = %

QP

E g?KGQ

QO

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 22, Nr 1/2018, 19â&#x20AC;&#x201C;24, DOI: 10.14313/PAR_227/19

; 0@ = " 0 < " @ *G < 0 % 3

0 "

/ " # ! 0 < = L 0 Q K = = Q *+ M >!

-&@$*&

4!

The paper presents a novel approach to a control design of bilateral teleoperation systems with force-feedback dedicated only for a sensor-less weight sensing. The problem statement, analysis of research achievements to date, and the scope of the study are presented. The new design of a control unit for a master-slave system with force-feedback was based on a dynamics inverse model.

The model was used to subtract a value of force in the force-feedback communication channel that the system might generate during free-motion. A substantial part of the paper, is focused on a development of a mathematical model covering phenomena occurring in the investigated control scheme.

A

0 " 0 @0 E ! " = E "

1. Introduction Researcherâ&#x20AC;&#x2122;s attempts to ensure safe operation of various machines have led to the development of master-slave control systems with force-feedback. The applications of master-slave systems are widespread, including performing tasks in environments hostile to man as: (1) contaminated sites; (2) in the depths of oceans and seas; (3) radioactive interiors of nuclear power plants; and even other applications like (4) medical rehabilitation.

Most of master-slave systems are unilateral [11â&#x20AC;&#x201C;16, 21, 28, 30, 32, 36â&#x20AC;&#x201C;38]; i.e. a device that is being controlled (slave) should behave exactly as the device that controls it (master). However, as research continued, it was noticed that the operator, that enters into interaction with the master subsystem/manipulator should be able to feel the haptic effect of the environment on the slave subsystem side.

The haptic effect problem posed significant challenges in its practical application, due to large distances and the inevitable time delay [1â&#x20AC;&#x201C;5, 9, 10, 17, 18, 20â&#x20AC;&#x201C;22, 26â&#x20AC;&#x201C;31, 33, 39, 45, 46].

This specific branch of robotics faces many challenges that have been tackled by scientists all over the world for many years.

The main problem that arises in the communication channel between actuation devices is a time delay, which inhibit their communication. The problem is particularly pronounced, while sending information over large distances. Another challenge is

$

' 0 Q M ( Q I $

*,%&,%,&*. % ,$%&*%,&*. %

! "" # $%&

the stability of such systems, given known or unknown delays in the communication channel.

So far, sensor-less bilateral teleoperation solutions are mainly based on piezoelectric crystals. Piezoelectric crystals can work at the same time as actuator, body and a force sensor. Especially, when we are developing devices from a large group of single crystals. For the first time in 1998, Tadao Takigimi et al.; the authors of the paper, introduced a self-sensing actuator which was a new concept for intelligent materials, where a single piezoelectric element simultaneously performs as a sensor and an actuator at the same time [40]. In 2006, Yuguo Cui, discovered that the displacement of a micro-motion worktable driven by a piezo-ceramic actuator could be measured by the self-sensing method in the absence of an independent sensor [44]. Finally in 2007, Wei Tech Ang, found that the effective employment of piezoelectric actuators in micro scale dynamic trajectory-tracking applications was limited by two factors: (1) the intrinsic hysteretic behavior of piezoelectric ceramic; and (2) structural vibration as a result of the actuatorâ&#x20AC;&#x2122;s own mass, stiffness, and damping properties [41]. Then, Yusuke Ishikiriyama and T. Morita in 2010, published a paper about self-sensing control method of piezoelectric actuators that compensate for the hysteresis characteristics by using the linear relationship between the permittivity change and the piezoelectric displacement [7]. Also in 2010, Micky Rakotondrabe focused his research on the dynamic self-sensing of the motion of piezoelectric actuators [24]. The proposed measurement technique was subsequently used for a closed-loop control. Aiming to obtain a self-sensing scheme that estimates the transient and steadystate modes of the displacement, the author extended a previous static self-sensing scheme by adding a dynamic part. Again in 2011, Micky Rakotondrabe, developed a new micro-gripper dedicated to micromanipulation and micro-assembly tasks [23].

Based on a new actuator, called a thermo-piezoelectric actuator, the micro-gripper presented high-range and high-positioning resolution. Finally, Micky Rakotondrabe continue his studies and in 2015, presented his work about a self-sensing technique, using

19

Load Self-Sensing Control Scheme for Telemanipulation - Part 1: Theory

an actuator as a sensor at the same time [24, 32]. This was possible for most actuators with a physically reversible principle, such as piezoelectric materials.

So far, the main presented control schemes for bilateral teleoperation systems with force-feedback have some defects.

These defects mean the use a large number of sensors mediating between the environment and the bodies of the slave manipulator, especially in rotary joints. A situation in which the environment affects one degree of freedom in accordance with that degree of freedom, is relatively simple by using a single sensor.

However, where the design of the manipulator depends on many degrees of freedom, and moves in the three-dimensional space, use of a single or multiple sensors single or multiple sensors could be considered as expensive, or not adequate for the proper operation of such a system.

The paper presents an approach to design of a control scheme for a master-slave system with force-feedback. The difference between sensor methods thus far is that, in the case of the proposed control scheme, there are no sensors mediating between the manipulator body and the environment, relative to papers [6, 19, 34, 35, 42, 43]. The same thing can be noticed in self-sensing and piezo-ceramic micromanipulators used for micromanipulation an in impedance control methods [7, 8, 23â&#x20AC;&#x201C;25, 40, 41, 44]. The only sensors used in whole system are position encoders and pressure sensors. Whole manipulator body is considered as perfectly rigid body. In this paper, the operator needs to feel the manipulator load, but also a haptic effect of a contact is required. Thus, a sensor-less method of force-feedback and its analysis estimation is presented in the part 1 of the paper.

The method analysis was carried out on a simple 1-DoF object describing a manipulator. This approach was used to make the transfer function analysis easier to understand for a reader.

Slave (b) are considered as simple rigid objects described by their inertia, and are presented in the Fig. 1.

These manipulator bodies move in an environment described by the dissipative element he. The damper represents any type of motion resistance. The bodies of the manipulators move without the friction between them, and the world frame. Master subsystem acts as a motion scanner which sends information about its own position xm to the Slave manipulator.

Master subsystem motion depends on three forces applied to the body of Master manipulator. The first is the gravity, described as Gm = Mmg, where g is the acceleration of gravity and Mm is the mass of the body. The second force, is the force applied by the operator Fh, to the body of the Master manipulator. Last force applied to the body of Master manipulator is Fes which is transferred in communication channel from Slave subsystem. For theoretical analysis transmittance of Master subsystem actuator, resisting operators motion was not considered.

During analysis, the Slave subsystem is a duplicate of the Master subsystem under conditions of kinematics, dimensions and mass. This subsystem also moves in the same environment as the Master subsystem. Slave manipulator is described by its mass â&#x20AC;&#x201C; Ms, gravity force Gs, position â&#x20AC;&#x201C; xs, control force FS (theoretically including Slave actuator) that is generated by the actuator, and the environmental impact â&#x20AC;&#x201C; by force Fe. The transfer function Bi that describes dynamics of both manipulators, can be presented as the equation (1):

2. Self-Sensing Control Scheme for -

, . 4 & Bodies

U -

,

Bi =

1 , (M is + he )s

(1)

where i â&#x20AC;&#x201C; index, index m for Master subsystem, index s for Slave subsystem, s â&#x20AC;&#x201C; Laplace operator, Mi â&#x20AC;&#x201C; mass.

In the paper, system do not measure environmental force impact, but it estimates its value based on the control signals of the slave controller and current Slave manipulator position.

Modified structure of the telemanipulation system is presented in Fig. 2.

The presented sensor-less control scheme for bilateral teleoperation consists two subsystems - the Master subsystem and the Slave subsystem. Both subsystems, the Master (a) and the

Fig. 2. Block diagram of the presented method with the forcefeedback estimation block Rys. 2. Prezentowany schemat blokowy automatyzacji z blokiem estymacji w kanale siĹ&#x201A;owego sprzÄ&#x2122;Ĺźenia zwrotnego

In the Figure 2, system has an additional block. The estimation block, calculates the force of environmental impact based on the force value computed by the model of the Slave subsystem. The force-feedback estimation block, subtracts measured control signal of the drive, from that estimated by the model in free motion. This measured force could be a hydraulic pressure, a voltage or like it is presented in this paper â&#x20AC;&#x201C; a pneumatic air pressure. Modified system is described in details in Fig. 3.

The primary problem of methods using force sensors and rotary joints is that, that the control unit needs a large amount of the force sensors placed on the manipulator arm. This feature is crucial to deliver correct value of environmental torque impact in each rotary joint. In this paper, the method computes

Fig. 1. Graphical presentation of models: the Master subsystem (a), the Slave subsystem (b) Rys. 1. Graficzna prezentacji modeli: (a) podsystem Master, (b) podsystem Slave

20

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

!

Fig. 3. Block diagram of system in details that was used for the analysis Rys. 3. SzczegĂłĹ&#x201A;owy schemat blokowy automatyzacji wykorzystany do analizy matematycznej

value of environmental force impact on the slave manipulator to the operator which is measured in the drive track in each joint of the Slave manipulator independently. Presented system requires as many sensors of current, voltage or pressure, as many dimensions of freedom are included in the Slave manipulator structure. Rotary or linear joints do not make difference for presented method of estimation environmental forces, on each joint, in the force-feedback communication channel. In the result the system, based on the presented method of estimation in the force-feedback channel (equipped with an ideal model), will send to the Master manipulator zero value of force, during free motion of Slave manipulator. This conclusion will find its proof in the next section of the paper.

-,

To investigate the effectiveness of presented method it is required to find the slave subsystem closed-loop and the inverse model transmittances, by reducing the Slave subsystem transmittance (Fig. 3) to a simple transfer function. First transfer function describes the relation of two signals xm, which is the position of Master, send to Slave and the xs, which is position of the Slave manipulator. The transmittance xs/xm is presented as follows (2):

xs (s ) K (s ) = . xm (s ) (M ss + he )s + K (s )

(2)

Equation (2) describes the closed-loop system of the Slave manipulator, including transfer function of the position controller K(s). The controller transfer function is unknown for the transmittance analysis, because it is possible to use many structures of controllers like simple proportional P, PI or even PID. Different linear controller structure would not change presented method result.

In a continuation of transmittance analysis, the slave subsystem closed-loop transfer function is determined as (2). The Second transmittance, including the inverse model of force-feedback estimation block and the closed-loop of slave subsystem, is defined by a ratio of the estimated value of the force generated by the drive during the free motion of the Slave manipulator â&#x20AC;&#x201C; named Fsm and the Master position â&#x20AC;&#x201C; xm, transmittance Fsm/xm is presented by the equation (3):

K (s )(M ss + he )s Fsm (s ) . = xm (s ) (M ss + he )s + K (s )

(3)

Equation (3) describes one of two, characteristic transfer functions, the function that is responsible for reducing the value of force in a force-feedback communication channel. The force in the communication channel of manipulator system using rotary joints without additional force-feedback estimation block, sends to the operator and Master subsystem a value of force used to achieve the desired configuration of Slave manipulator. This force will depend on actual position of each joints, and also acceleration and velocity, including inertia of individual bodies and motion resistance. This feature appears only during free-motion condition.

Next step, requires finding the transmittance of closed-loop Slave system, which senses the control signal Fs from the controllerâ&#x20AC;&#x2122;s block K(s) output. Theoretically, this signal is just the control force, applied to the body of the Slave manipulator. In practice, the control signal on the Slave side could be a voltage, a current or a pneumatic air pressure. To find this transfer function, it is required to find a solution of two equations presented as (4):

â&#x17D;§Fs = K (s )e (s ) â&#x17D;Ş Fs , â&#x17D;¨x = â&#x17D;Ş s (M ss + he )s â&#x17D;Š

(4)

where e(s) is a Slave subsystem position error, described as e(s) = xm(s) â&#x20AC;&#x201C; xs(s). Looking for a solution of the equations (4) by a ratio of Fs(s)/xm(s), we obtain an equation (5):

K (s )(M ss + he )s Fs (s ) , = xm (s ) (M ss + he )s + K (s )

(5)

exactly the same as transmittance (4). This means that subsystem Slave during free-motion in remote environment, calculates zero value in the force-feedback communication channel.

This is confirmed by the transmittance difference, which is represented as force-feedback estimation block in the Fig. 3, and by the equation (6):

21

Load Self-Sensing Control Scheme for Telemanipulation - Part 1: Theory

Fes =

Fs (s ) Fsm (s ) â&#x2C6;&#x2019; = 0. xm (s ) xm (s )

(6) 4.

For the operator of a system, which uses presented method, this situation is comfortable, but requires very accurate dynamics inverse model of Slave subsystem. It is important to show, that the slave subsystem which is under influence of the environmental force, sends to the operator exactly the force of the environmental impact. Of course, in a case of theoretical analysis of ideal system presented in the Fig. 3.

The force-feedback transparency analysis, requires external forces to be taken in to account. This forces are included in equations (3) and (5). Two new equations are obtained (7) and (8), which describes the Slave subsystem in the Fig. 3, including external forces:

K (s )(M ss + he )s Fsm (s ) â&#x2C6;&#x2019; Gs , = (M ss + he )s + K (s ) xm (s )

(7)

K (s )(M ss + he )s Fs (s ) â&#x2C6;&#x2019; Gs â&#x2C6;&#x2019; Fe . = (M ss + he )s + K (s ) xm (s )

(8)

5.

6.

7.

8.

Subtracting equations (7) and (8) and after simplifying them, we obtain the equation (9): Fs(s) â&#x20AC;&#x201C; Fsm(s) = Fe(s),

9.

(9)

where the difference Fs(s) â&#x20AC;&#x201C; Fsm(s) according to the control scheme of Fig. 3, corresponds to the signal of force-feedback communication channel Fes, presented as the equation (10): 10.

Fes = Fe.

(10)

5. Conclusion 11.

This paper is a part of the theory proof, that if it is possible to use a high accurate mathematical model of the Slave subsystem, it is possible to transmit the value of the environmental force impact, to the operator by using the presented method.

Note, however, that getting a model that exactly corresponding to the real object, is in practice very difficult or even impossible, so the value of estimated environmental force in the force-feedback communication channel by using presented method or system, strongly depends on the accuracy of this model.

12.

13.

$ &

14.

The work was carried out as part of PBS3/A6/28/2015 â&#x20AC;&#x153;The use of augmented reality, interactive voice systems and operator interface to control a craneâ&#x20AC;?, which was financed by NCBiR.

4

1.

2.

3.

22

15.

Ben-Dov D., Salcudean S.E., A force-controlled pneumatic actuator for use in teleoperation masters, [in:] Proceedings of 1993 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 938â&#x20AC;&#x201C;943, DOI: 10.1109/ROBOT.1993.292264.

Ferrell W.R., Delayed Force Feedback, â&#x20AC;&#x153;Human Factors: The Journal of the Human Factors and Ergonomics Societyâ&#x20AC;?, Vol. 8, No. 5, 1966, 449â&#x20AC;&#x201C;455, DOI: 10.1177/001872086600800509.

Guerriero B., Book W., Haptic Feedback Applied to Pneumatic Walking, ASME 2008 Dynamic Systems and ConP

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

16.

17.

A

T

trol Conference, American Society of Mechanical Engineers, 591â&#x20AC;&#x201C;597, DOI: 10.1115/DSCC2008-2185.

Hannaford B., Stability and performance tradeoffs in bi-lateral telemanipulation, [in:] Proceedings of 1989 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Vol. 1763, 1764â&#x20AC;&#x201C;1767, DOI: 10.1109/ROBOT.1989.100230.

Hastrudi-Zaad K., Salcudean S.E., On the use of local force feedback for transparent teleoperation, [in:] Proceedings of 1999 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Vol. 1863, 1863â&#x20AC;&#x201C;1869, DOI: 10.1109/ROBOT.1999.770380.

Hogan N., Impedance Control: An Approach to Manipulation: Part II â&#x20AC;&#x201C; Implementation, â&#x20AC;&#x153;Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Controlâ&#x20AC;?, Vol. 107, No. 1, 1985, 8â&#x20AC;&#x201C;16, DOI: 10.1115/1.3140713.

Ishikiriyama Y., Morita T., Improvement of self-sensing piezoelectric actuator control using permittivity change detection, â&#x20AC;&#x153;Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturingâ&#x20AC;?, Vol. 4, No. 1, 2010, 143â&#x20AC;&#x201C;149, DOI: 10.1299/jamdsm.4.143.

Khadraoui S., Rakotondrabe M., Lutz P., Interval Modeling and Robust Control of Piezoelectric Microactuators, â&#x20AC;&#x153;IEEE Transactions on Control Systems Technologyâ&#x20AC;?, Vol. 20, No. 2, 2012, 486â&#x20AC;&#x201C;494, DOI: 10.1109/TCST.2011.2116789.

Kim W.S., Developments of new force reflecting control schemes and an application to a teleoperation training simulator, [in:] Proceedings of 1992 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Vol. 1412, 1992, 1412â&#x20AC;&#x201C;1419 DOI: 10.1109/ROBOT.1992.220152.

Kim W.S., Hannaford B., Fejczy A.K., Force-reflection and shared compliant control in operating telemanipulators with time delay, â&#x20AC;&#x153;IEEE Transactions on Robotics and Automationâ&#x20AC;?, Vol. 8, No. 2, 1992, 176â&#x20AC;&#x201C;185, DOI: 10.1109/70.134272.

MiÄ&#x2026;dlicki K., Pajor M., Overview of user interfaces used in load lifting devices, â&#x20AC;&#x153;International Journal of Scientific & Engineering Researchâ&#x20AC;?, Vol. 6, No. 9, 2015, 1215â&#x20AC;&#x201C;1220.

MiÄ&#x2026;dlicki K., Pajor M., Real-time gesture control of a CNC machine tool with the use Microsoft Kinect sensor, â&#x20AC;&#x153;International Journal of Scientific & Engineering Researchâ&#x20AC;?, Vol. 6, No. 9, 2015, 538â&#x20AC;&#x201C;543.

Miadlicki K., Pajor M., Sakow M., Loader Crane Working Area Monitoring System Based on LIDAR Scanner, â&#x20AC;&#x153;Advances in Manufacturingâ&#x20AC;?, Springer, 2018, 465â&#x20AC;&#x201C;474, DOI: 10.1007/978-3-319-68619-6_45.

MiÄ&#x2026;dlicki K., Pajor M., SakĂłw M., Ground plane estimation from sparse LIDAR data for loader crane sensor fusion system, 22nd International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), IEEE, MiÄ&#x2122;dzyzdroje, Poland, 2017, 717â&#x20AC;&#x201C;722, DOI: 10.1109/MMAR.2017.8046916.

MiÄ&#x2026;dlicki K., Pajor M., SakĂłw M., Real-time ground filtration method for a loader crane environment monitoring system using sparse LIDAR data, 2017 IEEE International Conference on INnovations in Intelligent SysTems and Applications (INISTA), IEEE, 2017, 207â&#x20AC;&#x201C;212, 10.1109/INISTA.2017.8001158.

MiÄ&#x2026;dlicki K., SakĂłw M., The use of machine vision to control the basic functions of a CNC machine tool using gestures, Czasopismo Techniczne, Vol. 12, 2017, 213â&#x20AC;&#x201C;229, DOI: 10.4467/2353737XCT.17.221.7764.

Najdovski Z., Nahavandi S., Fukuda T., Design, Development, and Evaluation of a Pinchâ&#x20AC;&#x201C;Grasp Haptic Interface, Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

!

18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

25.

26.

27.

28.

29.

30.

IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 19, No. 1, 2014, 45â&#x20AC;&#x201C;54, DOI: 10.1109/TMECH.2012.2218662.

Nguyen T., Leavitt J., Jabbari F., Bobrow J.E., Accurate Sliding-Mode Control of Pneumatic Systems Using Low-Cost Solenoid Valves, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 12, No. 2, 2007, 216â&#x20AC;&#x201C;219, DOI: 10.1109/TMECH.2007.892821.

Ningbo Y., Hollnagel C., Blickenstorfer A., Kollias S.S., Riener R., Comparison of MRI-Compatible Mechatronic Systems With Hydrodynamic and Pneumatic Actuation, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 13, No. 3, 2008, 268â&#x20AC;&#x201C;277, DOI: 10.1109/TMECH.2008.924041.

Noritsugu T., Pulse-width modulated feedback force control of a pneumatically powered robot hand, International Symposium of Fluid Control and Measurement, Tokyo, 1985, 47â&#x20AC;&#x201C;52.

Pajor M., MiÄ&#x2026;dlicki K., SakĂłw M., Kinect Sensor Implementation in Fanuc Robot Manipulation, â&#x20AC;&#x153;Archives of Mechanical Technology and Automationâ&#x20AC;?, Vol. 34, No. 3, 2014, 35â&#x20AC;&#x201C;44.

Polushin I.G., Takhmar A., Patel R.V., Projection-Based Force-Reflection Algorithms With Frequency Separation for Bilateral Teleoperation, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 20, No. 1, 2015, 143â&#x20AC;&#x201C;154, DOI: 10.1109/TMECH.2014.2307334.

Rakotondrabe M., Ivan I.A., Development and Force/ Position Control of a New Hybrid Thermo-Piezoelectric MicroGripper Dedicated to Micromanipulation Tasks, IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, Vol. 8, No. 4, 2011, 824â&#x20AC;&#x201C;834, DOI: 10.1109/TASE.2011.2157683.

Rakotondrabe M., Ivan I.A., Khadraoui S., Clevy C., Lutz P., Chaillet N., Dynamic displacement self-sensing and robust control of cantilever piezoelectric actuators dedicated for microassembly, 2010 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), 557â&#x20AC;&#x201C;562, DOI: 10.1109/AIM.2010.5695741.

Rakotondrabe M., Ivan I.A., Khadraoui S., Lutz P., Chaillet N., Simultaneous Displacement/Force Self-Sensing in Piezoelectric Actuators and Applications to Robust Control, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 20, No. 2, 2015, 519â&#x20AC;&#x201C;531, DOI: 10.1109/TMECH.2014.2300333.

SakĂłw M., Marchelek K., Parus A., MiÄ&#x2026;dlicki K., Control scheme without force sensors for load sensing in telemanipulation systems with force-feedback, â&#x20AC;&#x153;Journal of Machine Construction and Maintenance. Problemy Eksploatacjiâ&#x20AC;?, No. 3, 2017, 21â&#x20AC;&#x201C;30.

SakĂłw M., MiÄ&#x2026;dlicki K., Parus A., Self-sensing teleoperation system based on 1-dof pneumatic manipulator, â&#x20AC;&#x153;Journal of Automation, Mobile Robotics and Intelligent Systemsâ&#x20AC;?, Vol. 11, No. 1, 2017, 64â&#x20AC;&#x201C;76.

SakĂłw M., Pajor M., Parus A., Estimation of environmental forces impact on remote control system with force-feedback and upper limb kinematics (in Polish), â&#x20AC;&#x153;Modelowanie InĹźynierskieâ&#x20AC;?, Vol. 27, No. 58, 2016, 113â&#x20AC;&#x201C;122.

SakĂłw M., Pajor M., Parus A., Self-sensing control system determining the environmental force influence on the manipulator during the operation of the telemanipulation system (in Polish), â&#x20AC;&#x153;Projektowanie Mechatroniczne â&#x20AC;&#x201C; Zagadnienia Wybraneâ&#x20AC;?, Katedra Robotyki i Mechatroniki, Akademia GĂłrniczo-Hutnicza w Krakowie, 2016, 139â&#x20AC;&#x201C;150.

SakĂłw M., Parus A., Sensorless control scheme for teleoperation with force-feedback, based on a hydraulic servo-mecha-

31.

32.

33.

34.

35.

36.

37.

38.

39.

40.

41.

42.

43.

44.

nism, theory and experiment, â&#x20AC;&#x153;Measurement Automation Monitoringâ&#x20AC;?, Vol. 62, No. 12, 2016, 417â&#x20AC;&#x201C;425.

SakĂłw M., Parus A., MiÄ&#x2026;dlicki K., Predictive method of force determination in the force-feedback communication channel of remotely controlled system (in Polish), â&#x20AC;&#x153;Modelowanie inĹźynierskieâ&#x20AC;?, Vol. 31, No. 62, 2017, 88â&#x20AC;&#x201C;97.

Sakow M., Parus A., Pajor M., Miadlicki K., Unilateral Hydraulic Telemanipulation System for Operation in Machining Work Area, Advances in Manufacturing, Springer, 2018, 415â&#x20AC;&#x201C;425, DOI: 10.1007/978-3-319-68619-6_40.

SakĂłw M., Parus A., Pajor M., MiÄ&#x2026;dlicki K., Nonlinear inverse modeling with signal prediction in bilateral teleoperation with force-feedback, 2017 22nd International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), IEEE, MiÄ&#x2122;dzyzdroje, Poland, 2017, 141â&#x20AC;&#x201C;146, 10.1109/MMAR.2017.8046813.

Seraji H., Colbaugh R., Adaptive force-based impedance control, IROS â&#x20AC;&#x2DC;93. Proceedings of the 1993 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 1993, Vol. 1533, 1537â&#x20AC;&#x201C;1544, DOI: 10.1109/IROS.1993.583844.

Seul J., Hsia T.C., Bonitz R.G., Force tracking impedance control of robot manipulators under unknown environment, â&#x20AC;&#x153;IEEE Transactions on Control Systems Technologyâ&#x20AC;?, Vol. 12, No. 3, 2004, 474â&#x20AC;&#x201C;483, DOI: 10.1109/TCST.2004.824320.

Stateczny K., Pajor M., Miadlicki K., Sakow M., MEMS based system for controlling and programing industrial manipulator Fanuc s-420F using gestures, â&#x20AC;&#x153;Problemy Eksploatacjiâ&#x20AC;?, 4/2017, 107, 81â&#x20AC;&#x201C;89.

Stuart K.D., Majewski M., Intelligent Opinion Mining and Sentiment Analysis Using Artificial Neural Networks, International Conference on Neural Information Processing, Springer, Istanbul, Turkey, 2015, 103â&#x20AC;&#x201C;110, DOI: 10.1007/978-3-319-26561-2_13.

Stuart K.D., Majewski M., Trelis A.B., Intelligent semantic-based system for corpus analysis through hybrid probabilistic neural networks, International Symposium on Neural Networks, Springer, 2011, 83â&#x20AC;&#x201C;92, DOI: 10.1007/978-3-642-21105-8_11.

Taghizadeh M., Ghaffari A., Najafi F., Improving dynamic performances of PWM-driven servo-pneumatic systems via a novel pneumatic circuit, â&#x20AC;&#x153;ISA Transactionsâ&#x20AC;?, Vol. 48, No. 4, 2009, 512â&#x20AC;&#x201C;518, DOI: 10.1016/j.isatra.2009.05.001.

Takigami T., Oshima K., Hayakawa Y., Ito M., Application of self-sensing actuator to control of a soft-handling gripper, Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Control Applications, Vol. 902, 902â&#x20AC;&#x201C;906, DOI: 10.1109/CCA.1998.721589.

Wei Tech A., Khosla P.K., Riviere C.N., Feedforward Controller With Inverse Rate-Dependent Model for Piezoelectric Actuators in Trajectory-Tracking Applications, â&#x20AC;&#x153;IEEE/ ASME Transactions on Mechatronicsâ&#x20AC;?, Vol. 12, No. 2, 2007, 134â&#x20AC;&#x201C;142, DOI: 10.1109/TMECH.2007.892824.

Yokokohji Y., Yoshikawa T., Bilateral control of master-slave manipulators for ideal kinesthetic coupling-formulation and experiment, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 10, No. 5, 1994, 605â&#x20AC;&#x201C;620, DOI: 10.1109/70.326566.

Yong Z., Barth E.J., Impedance Control of a Pneumatic Actuator for Contact Tasks, Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2005, 987â&#x20AC;&#x201C;992, 10.1109/ROBOT.2005.1570245.

Yuguo C., Self-Sensing Compounding Control of Piezoceramic Micro-Motion Worktable Based on Integrator, WCICA

23

Load Self-Sensing Control Scheme for Telemanipulation - Part 1: Theory 46. Zhou M., Ben-Tzvi P., RML Glove â&#x20AC;&#x201C; An Exoskeleton Glove Mechanism With Haptics Feedback, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 20, No. 2, 2015, 641â&#x20AC;&#x201C;652, DOI: 10.1109/TMECH.2014.2305842.

2006. The Sixth World Congress on Intelligent Control and Automation, 2006, 5209â&#x20AC;&#x201C;5213, DOI: 10.1109/WCICA.2006.1713385.

45. Zhang T., Jiang L., Wu X., Feng W., Zhou D., Liu H., Fingertip Three-Axis Tactile Sensor for Multifingered Grasping, â&#x20AC;&#x153;IEEE/ASME Transactions on Mechatronicsâ&#x20AC;?, Vol. 20, No. 4, 2014, 1875â&#x20AC;&#x201C;1885, DOI: 10.1109/TMECH.2014.2357793.

# " I E IS " 7 D *G %

W artykule przedstawiono nowe podejĹ&#x203A;cie do projektowania sterowania dwustronnych systemĂłw teleoperacji z siĹ&#x201A;owym sprzÄ&#x2122;Ĺźeniem zwrotnym, dedykowanym tylko do wykrywania obciÄ&#x2026;Ĺźenia w postaci Ĺ&#x201A;adunku. Opis problemu, analiza dotychczasowych osiÄ&#x2026;gniÄ&#x2122;Ä&#x2021; badawczych oraz zakres badania zostaĹ&#x201A; zaprezentowany w pracy. Nowy projekt jednostki sterujÄ&#x2026;cej dla systemu Master-Slave z siĹ&#x201A;owym sprzÄ&#x2122;Ĺźeniem zwrotnym oparty zostaĹ&#x201A; na dynamicznym modelu odwrotnym.

Model zostaĹ&#x201A; uĹźyty do odejmowania wartoĹ&#x203A;ci siĹ&#x201A;y w kanale komunikacyjnym sprzÄ&#x2122;Ĺźenia zwrotnego, ktĂłry moĹźe generowaÄ&#x2021; system podczas ruchu swobodnego. WaĹźna czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; pracy zostaĹ&#x201A;a poĹ&#x203A;wiÄ&#x2122;cona analizie matematycznej obejmujÄ&#x2026;cego zjawiska zachodzÄ&#x2026;ce w badanym schemacie kontroli. )

0 " S " E

0 % 3 0% 6 ,2

0 "

3 0% 6 ,2

" % ) % %

%" ) % %

J = ,&*& @ ! B% % = Q K = @ = 0 " / " # ! @ 0 < = ,&*$% 8 ,&*A ! Q% % = Q K = @ = 0 " / " # ! @ % J E " " @ ! " = " @0 = 0 ? 00 % L " ,&*4 E = 8 0 Q < = L 0 Q K = = Q % L " ,&*A @

" 0 Q " % L " ,&*A " "E 0 > QK%

J = ,&&. ! B% % = > " R E K = = 0 " / " @ # ! 0 < = ,&**% 8 ,&*$ ! Q% % = > " R E K = = 0 " / " # ! 0 < @ = % J @ = " = = P % L " ,&*$ E = 8 0 Q < = L 0 Q K = @ = Q % L " ,&*$

" 0 Q @ " % L " ,&*A " "E 0 8KKK%

24

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 22, Nr 1/2018, 25â&#x20AC;&#x201C;30, DOI: 10.14313/PAR_227/25

; 0@ = " 0 < " @ ,G KU " 0 % 3

0 "

/ " # ! 0 < = L 0 Q K = = Q *+ M >!

-&@$*&

4!

The paper presents a novel approach to a control design of bilateral teleoperation systems with force-feedback, dedicated only for a weight sensing. The problem statement, analysis of papers up to date, and the scope of the study are presented. The new control unit for a master-slave system with force-feedback was based on a NARX model. The model was used to subtract a value of force in the force-feedback communication channel that the system might generate during free-motion.

The new approach to a control design was validated on a test-stand of a simple rotating pneumatic manipulator arm. The paper presents the modeling procedure of the experimental setup and the model used in the study. Two experiments are described to demonstrate the control unit of the master-slave system with force-feedback.

A

0 " 0 @0 E ! " = E "

1. Introduction Researcherâ&#x20AC;&#x2122;s attempts to ensure safe operation of various machines had led to the development of master-slave control systems with force-feedback. The applications of master-slave systems are widespread, including performing tasks in environments hostile to man, contaminated sites, in the depths of oceans and seas, radioactive interiors of nuclear power plants, and even medical rehabilitation. Most of master-slave systems are unilateral [9, 10, 19, 23, 25, 32, 33]; i.e. a device that is being controlled (slave) should behave exactly as the device that controls it (master).

However, as research continued, it was noticed that the operator, that enters into interaction with the master subsystem/manipulator should be able to feel the haptic effect of the environment on the slave subsystem side. The problem posed significant challenges in its practical application, due to large distances and the inevitable time delay [1â&#x20AC;&#x201C;5, 7, 8, 12, 15, 16, 18â&#x20AC;&#x201C;20, 22â&#x20AC;&#x201C;26, 28, 35, 38, 39]. This specific branch of robotics faces many challenges that have been tackled by scientists all over the world for many years. The main problem that arises in the communication channel between actuation devices is a time delay, which inhibit their communication. The problem is particularly pronounced, while sending information over large distances. Another challenge is the stability of such systems, given known or unknown delays in the communication channel.

$

' 0 Q M " % ) % % $

*,%&,%,&*. % ,$%&,%,&*. %

! "" # $%&

So far, the main presented control schemes for bilateral teleoperation systems with force-feedback have some defects. These defects mean the use a large number of sensors mediating between the environment and the bodies of the slave manipulator, especially in rotary joints. A situation in which the environment affects one degree of freedom in accordance with that degree of freedom, is relatively simple by using a single sensor.

However, where the design of the manipulator depends on many degrees of freedom, and moves in the three-dimensional space, use of single or multiple sensors could be considered as expensive, or not adequate for the proper operation of such a system.

Sensor-less and self-sensing, large appliances are rare, even in scientific literature. There are only couple of papers, rising problem of inverse modeling used in self-sensing control unit of bilateral teleoperators. This work and papers [6, 11â&#x20AC;&#x201C;14, 17, 19, 21â&#x20AC;&#x201C;31, 36, 37], are addressing this problem. First paper [37], presents a method for the impedance control of a pneumatic linear actuator for tasks involving contact interaction. The presented method takes an advantage of the natural compliance of pneumatic actuators. The central notion of the method is that by departing from a stiff actuation system, low-bandwidth acceleration measurements can be used in lieu of high-bandwidth force measurements. Second paper [34], presents teleoperated minimally invasive surgery systems, measurement and display of a sense of force to the operator. In this paper, a master-slave system for laparoscopic surgery, which can provide force-feedback to the surgeon without using force sensors was proposed.

Pneumatic cylinders were used as the actuator of the manipulators to achieve this. Both papers are based on the same control methodology, the impedance control. In [37] control methodology contained an inner loop to control the pressure on two sides of a pneumatic cylinder, while an outer loop enforces an impedance relationship between external forces and motion and commands desired pressures to the inner loop. The inner loop enforces the natural compliance of the pneumatic actuator by controlling both the sum and difference of the pressures on both sides of

25

Load Self-Sensing Control Scheme for Telemanipulation - Part 2: Experiment the pneumatic actuator. In [34], a bilateral dynamic control system was designed using a neural network for acquisition of the inverse dynamics. The obtained inverse dynamics was used as a feed-forward controller and to estimate the external force from the differential pressure of the cylinders.

The paper presents a pneumatic manipulator that is an introduction to the work on the hydraulic crane car which is much bigger then devices in the presented literature. In this project, the operator needed to feel the crane load, but also the feeling of a haptic contact was required. The contact situation between the unmovable object of an environment and the Slave manipulator, must be realized in the way that the system will push back the operator by resisting his motion. Introduction to work on much bigger devices means consideration of disadvantages like long hydraulic pipes which are also included in the presented test-stand. The problem of high friction values and many other which will occur during further work has to be overcome during preliminary test-stand.

Also in this paper, a part of impedance control was used. This part is an inverse model of the manipulator structure corresponding to the manipulator operation without any environmental impact on the slave subsystem. Based on this fact it is possible to obtain relatively accurate information about the environmental impact on the specific DoF of the slave manipulator. This important feature eliminates the need to use a sensor (susceptible component) between the body of the manipulator and the environment, or between the actuator and the manipulator body.

An important feature of this approach on the design of the control system is that the value of the impact of the environment is transmitted to a specific master manipulator degree of freedom, as a response from the equivalent DoF in the slave manipulator, but without using geometrical relationships resulting from the construction of the manipulator. Difference between impedance control [34, 37], in this paper system is relatively simple. The control unit is not controlling the pressure inside an actuator chamber. Measured pressure is only being subtracted by the estimated pressure which estimated pressure is calculated by the inverse model of subsystem Slave.

Fig. 1. Experimental test stand Rys. 1. Stanowisko badawcze

considerably improved the quality and position tracking ability of the entire subsystem slave. Most of signals in the system are analogue signals like pressure measurement, and discrete for the encoders and valves. Encoders that were used to build the test stand had a number of pulses equal to 500 per revolution.

The pressure gauge used to measure pressure in the system had a maximum measurement value of 10 bar, proportionally sensing the pressure as 1 V to 10 V. The slave subsystem as it is possible to see in Fig. 2, there are three pneumatic control signals of solenoid valves V1, V2 and controllable variable orifice SD. The V1 signal is the left coil voltage signal of 5/3 switching valve, V2 is the right coil voltage signal of the same switching valve and the SD signal, which is analogue and controls the degree of throttle opening â&#x20AC;&#x201C; the variable orifice.

The pressure sensor Ps is placed between the 5/3 Valve and the variable orifice. As it turned out during tests, it is possible to estimate pressure in both piston chambers using single pressure sensor, with a respect to a pneumatic scheme in the Fig. 2.

In the case of a master subsystem it was easy to use a pressure control valve Pz which controls the air pressure on the basis of the set value from force-feedback communication channel. Then, the pressure will only reach destined piston chambers using on/off valves: V4 and V5 (Fig. 3), the additional pressure sensors Pm1 and Pm2 finally were not used in control scheme.

U @ <

& ,

# -, 12 - )

Based on the manipulator arm, a geometrical and dynamic model of the slave and master subsystem was built, as shown in Fig. 4.

The geometrical model of rotating arm was dependent on the dimensions of actuators. The dimensions of each actuator cause

In the pneumatic test stand, mechanical features of a slave and a master subsystem are completely identical. The exoskeleton Master subsystem was attached to the operatorâ&#x20AC;&#x2122;s elbow. The subsystem slave was mounted to a strong and heavy table. Thus, it was not necessary to do the calculations of pressure in the feedback resulting from differences in the mass and dimensions of the master and the slave. In the context of the experimental setup, the mass of the human limb was considered as negligible.

The experimental setup is presented in Fig. 1.

The Figure 1 presents the manipulator arm with its drive system which was taken into account in the mathematical model of a pressure in chambers. There is a stationary base plate (1), which is fixed to the table. The bending actuator (5) and its extension bend the manipulator arm. The straightening actuator (2) and its extension straighten the manipulator arm (3).

The characteristic manipulator arm is the movable part of the slave subsystem (3). The arm rotates at the articulated wrist, where a measuring encoder was mounted.

Mounting pneumatic drives in the presented way, was not accidental. Using two drives, affects the symmetry of the piston Fig. 2. Pneumatic scheme of Slave manipulator areas which, as it turned out, Rys. 2. Schemat pneumatyczny ukĹ&#x201A;adu napÄ&#x2122;dowego podsystemu Slave

26

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

! tem was able to transmit adequate information to the feedback with a relatively large time delay of 0.5 s. It can even be seen in the Fig. 5. This is due to the compressibility of the medium in the system, and is not the fault of the control system, whose

Fig. 3. Pneumatic scheme of Master manipulator Rys. 3. Schemat pneumatyczny ukĹ&#x201A;adu napÄ&#x2122;dowego podsystemu Master

Fig. 4. Geometrical relationship of manipulator arm Rys. 4. ZaleĹźnoĹ&#x203A;ci geometryczne ramienia manipulatora

movement of the entire manipulator arm. To build a model which will behave exactly like the one in the Fig. 1, requires the use of geometrical relationships among actuator, base, and rotational arm of the manipulator, as shown in the Fig. 4.

Model in the Fig. 4 describes the estimated pressure in free motion, in the time domain by equation (1):

case, the friction and resistance of air surrounding the manipulator. However, even these component data were modeled within the structure of the NARX model. Owing to this, such a data can be considered as negligible when conducting certain runs by the slave subsystem of the manipulator, as they exert the same influence both on the real object and on the model. Diagrams of the first experiment are presented in the Fig. 5.

The contact phase can be seen in the runs presented in the Fig. 5 between 3 to 12 seconds. The control system precisely mapped the maximum pressure of 2 bar. The maximum pressure of 2 bar in force feedback is the effective pressure, resulting from using the control method that relies on pressure changes in the system. The maximum pressure in the system was 6 bar.

However, it is counteracted by the pressure of 4 bar, and the whole system stiffens. The value of 2 bar means that the sys-

(1)

Position [deg]

where A1 and A2 are the areas of pistons â&#x20AC;&#x201C; first and second actuator,e(t) is the angular acceleration of the manipulator arm, G1 and G2 are the gravity forces applied to the body of manipulator.

Rest variables are angles and radiuses used for derive the equation (1) (Fig. 4).

As it turned out during tests, simple geometric and mechanical model was not enough to properly estimate pressure inside the piston chamber. This model was incorporated to a structure of nonlinear autoregressive model with exogenous input â&#x20AC;&#x201C; NARX. The nonlinear part of model NARX was based on a binary tree. This model has estimated relatively well the pressure, relative to the simple equation (1).

After the identification was carried out, the model of the slave subsystem tests were conducted to verify the operation of the system. The aim of the first measurement was to check how the system would behave, given no interaction with the environment and the interaction appears. The external interaction of the environment which occurs for the nonlinear manipulator arm is gravity and resistance to motion, and in this particular

Pressure [bar]

5. Experiment

Fig. 5. Master-slave system test-stand; first measurement during free motion and contact operation Rys. 5. Wyniki eksperymentalne manipulatora pneumatycznego; pomiar pierwszy podczas ruchu swobodnego i sztywnego kontaktu

27

Pressure [bar]

Position [deg]

Load Self-Sensing Control Scheme for Telemanipulation - Part 2: Experiment

Fig. 6. Master-slave system test-stand; second measurement during load sensing Rys. 6. Wyniki eksperymentalne manipulatora pneumatycznego; pomiar drugi podczas wykrywania obciÄ&#x2026;Ĺźenia

clocking frequency was set a 10 kHz. Also, the aim of the first experiment was to check if the system would show the maximum pressure at the moment, when it will encounter an object it would not be able to move. The results of the experiment are shown in Fig. 5.

The second test was focused on goal, if the system was able to feel the load of inertia, which was attached to the slave manipulator arm. Run can be seen in the Fig. 6.

The estimated pressure, this time was seriously distorted, but around 15 second of lower run at steady state it delivered the information with only 5% error to the expected value. The main cause of distorted pressure feedback was simple PID controller and the disturbed position tracking ability with high change of manipulator arm inertia. Imperfect model also had an impact on the distortion of the value in the force-feedback communication channel. In the future, the ability of position tracking will be improved, but on different hydraulic device.

would not be constant, but would be dependent on the configuration of the robot arm at a given time â&#x20AC;&#x201C; feature of car cranes.

An additional challenge was posed by the pneumatic system itself. One disadvantage of pneumatic systems may be the fact that they are quite difficult to control, when it comes to position tracking. This fact is caused by a high air compressibility which translates into low stiffness of the mechanical structure. For position tracking it was used a simple PID controller cooperated with a controllable orifice. The controller was tuned during system operation. The simple PID controller was used because this paper was not focused on ability of position tracking by the system, but on a proof that the system is able to estimate the values of force-feedback without force sensor and impedance control method.

$ &

The work was carried out as part of PBS3/A6/28/2015. â&#x20AC;&#x153;The use of augmented reality, interactive voice systems and operator interface to control a craneâ&#x20AC;?, which was financed

by NCBiR.

+

4

The paper raises a problem of self-sensing, sensorless bilateral teleoperation. The control unit was based on a NARX model of subsystem Slave. This study was focused on the tests of a simple pneumatic manipulator. The tests were conducted on a short distance of one meter, so that any delay in the communication channel could be considered as negligible.

But the width of a pipe delivering air pressure between actuator chamber and pressure sensor effected a delay of around 0.5 s. The additional difficulty of the main task of the study was the fact that the rotating robotic arm was driven by two linear pneumatic actuators. Two linear pneumatic actuators, were mounted in the presented way to overcome the difference in a cylinder surface. This difference caused serious modeling problems. The actuators were also mounted so that their characteristics would be strongly nonlinear; i.e. the radial length of the actuator retraction axis to the rotation axis of the arm

28

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

1. Ben-Dov D., Salcudean S.E., A force-controlled pneumatic actuator for use in teleoperation masters, [in:] Proceedings of 1993 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 938â&#x20AC;&#x201C;943, DOI: 10.1109/ROBOT.1993.292264.

2. Ferrell W.R., Delayed Force Feedback, â&#x20AC;&#x153;Human Factors: The Journal of the Human Factors and Ergonomics Societyâ&#x20AC;?, Vol. 8, No. 5, 1966, 449â&#x20AC;&#x201C;455, DOI: 10.1177/001872086600800509.

3. Guerriero B., Book W., Haptic Feedback Applied to Pneumatic Walking, ASME 2008 Dynamic Systems and Control Conference, American Society of Mechanical Engineers, 591â&#x20AC;&#x201C;597, DOI: 10.1115/DSCC2008-2185.

4. Hannaford B., Stability and performance tradeoffs in bi-lateral telemanipulation, [in:] Proceedings of 1989 IEEE A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

!

International Conference on Robotics and Automation, Vol. 1763, 1764â&#x20AC;&#x201C;1767, DOI: 10.1109/ROBOT.1989.100230.

5. Hastrudi-Zaad K., Salcudean S.E., On the use of local force feedback for transparent teleoperation, [in:] Proceedings of 1999 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Vol. 1863, 1863â&#x20AC;&#x201C;1869, DOI: 10.1109/ROBOT.1999.770380.

6. Hogan N., Impedance Control: An Approach to Manipulation: Part II â&#x20AC;&#x201C; Implementation, â&#x20AC;&#x153;Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Controlâ&#x20AC;?, Vol. 107, No. 1, 1985, 8â&#x20AC;&#x201C;16, DOI: 10.1115/1.3140713.

7. Kim W.S., Developments of new force reflecting control schemes and an application to a teleoperation training simulator, [in:] Proceedings of 1992 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Vol. 1412, 1992, 1412â&#x20AC;&#x201C;1419, DOI: 10.1109/ROBOT.1992.220152.

8. Kim W.S., Hannaford B., Fejczy A.K., Force-reflection and shared compliant control in operating telemanipulators with time delay, â&#x20AC;&#x153;IEEE Transactions on Robotics and Automationâ&#x20AC;?, Vol. 8, No. 2, 1992, 176â&#x20AC;&#x201C;185, DOI: 10.1109/70.134272.

9. MiÄ&#x2026;dlicki K., Pajor M., Overview of user interfaces used in load lifting devices, â&#x20AC;&#x153;International Journal of Scientific & Engineering Researchâ&#x20AC;?, Vol. 6, No. 9, 2015, 1215â&#x20AC;&#x201C;1220.

10. MiÄ&#x2026;dlicki K., Pajor M., Real-time gesture control of a CNC machine tool with the use Microsoft Kinect sensor, â&#x20AC;&#x153;International Journal of Scientific & Engineering Researchâ&#x20AC;?, Vol. 6, No. 9, 2015, 538â&#x20AC;&#x201C;543.

11. Miadlicki K., Pajor M., Sakow M., Loader Crane Working Area Monitoring System Based on LIDAR Scanner, â&#x20AC;&#x153;Advances in Manufacturingâ&#x20AC;?, Springer, 2018, 465â&#x20AC;&#x201C;474, DOI: 10.1007/978-3-319-68619-6_45.

12. MiÄ&#x2026;dlicki K., Pajor M., SakĂłw M., Ground plane estimation from sparse LIDAR data for loader crane sensor fusion system, 22nd International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), IEEE, MiÄ&#x2122;dzyzdroje, Poland, 2017, 717â&#x20AC;&#x201C;722, DOI: 10.1109/MMAR.2017.8046916.

13. MiÄ&#x2026;dlicki K., Pajor M., SakĂłw M., Real-time ground filtration method for a loader crane environment monitoring system using sparse LIDAR data, 2017 IEEE International Conference on INnovations in Intelligent SysTems and Applications (INISTA), IEEE, 2017, 207â&#x20AC;&#x201C;212, 10.1109/ INISTA.2017.8001158.

14. MiÄ&#x2026;dlicki K., SakĂłw M., The use of machine vision to control the basic functions of a CNC machine tool using gestures, Czasopismo Techniczne, Vol. 12, 2017, 213â&#x20AC;&#x201C;229, DOI: 10.4467/2353737XCT.17.221.7764.

15. Najdovski Z., Nahavandi S., Fukuda T., Design, Development, and Evaluation of a Pinchâ&#x20AC;&#x201C;Grasp Haptic Interface, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 19, No. 1, 2014, 45â&#x20AC;&#x201C;54, DOI: 10.1109/TMECH.2012.2218662.

16. Nguyen T., Leavitt J., Jabbari F., Bobrow J.E., Accurate Sliding-Mode Control of Pneumatic Systems Using Low-Cost Solenoid Valves, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 12, No. 2, 2007, 216â&#x20AC;&#x201C;219, DOI: 10.1109/TMECH.2007.892821.

17. Ningbo Y., Hollnagel C., Blickenstorfer A., Kollias S.S., Riener R., Comparison of MRI-Compatible Mechatronic Systems With Hydrodynamic and Pneumatic Actuation, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 13, No. 3, 2008, 268â&#x20AC;&#x201C;277, DOI: 10.1109/TMECH.2008.924041.

18. Noritsugu T., Pulse-width modulated feedback force control of a pneumatically powered robot hand, International Symposium of Fluid Control and Measurement, Tokyo, 1985, 47â&#x20AC;&#x201C;52.

19. Pajor M., MiÄ&#x2026;dlicki K., SakĂłw M., Kinect Sensor Implementation in Fanuc Robot Manipulation, â&#x20AC;&#x153;Archives of Mechanical Technology and Automationâ&#x20AC;?, Vol. 34, No. 3, 2014, 35â&#x20AC;&#x201C;44.

20. Polushin I.G., Takhmar A., Patel R.V., Projection-Based Force-Reflection Algorithms With Frequency Separation for Bilateral Teleoperation, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 20, No. 1, 2015, 143â&#x20AC;&#x201C;154, DOI: 10.1109/TMECH.2014.2307334.

21. SakĂłw M., Marchelek K., Parus A., MiÄ&#x2026;dlicki K., Control scheme without force sensors for load sensing in telemanipulation systems with force-feedback, â&#x20AC;&#x153;Journal of Machine Construction and Maintenance. Problemy Eksploatacjiâ&#x20AC;?, No. 3, 2017, 21â&#x20AC;&#x201C;30.

22. SakĂłw M., MiÄ&#x2026;dlicki K., Parus A., Self-sensing teleoperation system based on 1-dof pneumatic manipulator, â&#x20AC;&#x153;Journal of Automation, Mobile Robotics and Intelligent Systemsâ&#x20AC;?, Vol. 11, No. 1, 2017, 64â&#x20AC;&#x201C;76.

23. SakĂłw M., Pajor M., Parus A., Estimation of environmental forces impact on remote control system with force-feedback and upper limb kinematics (in Polish), â&#x20AC;&#x153;Modelowanie InĹźynierskieâ&#x20AC;?, Vol. 27, No. 58, 2016, 113â&#x20AC;&#x201C;122.

24. SakĂłw M., Pajor M., Parus A., Self-sensing control system determining the environmental force influence on the manipulator during the operation of the telemanipulation system (in Polish), â&#x20AC;&#x153;Projektowanie Mechatroniczne â&#x20AC;&#x201C; Zagadnienia Wybraneâ&#x20AC;?, Katedra Robotyki i Mechatroniki, Akademia GĂłrniczo-Hutnicza w Krakowie, 2016, 139â&#x20AC;&#x201C;150.

25. SakĂłw M., Parus A., Sensorless control scheme for teleoperation with force-feedback, based on a hydraulic servo-mechanism, theory and experiment, â&#x20AC;&#x153;Measurement Automation Monitoringâ&#x20AC;?, Vol. 62, No. 12, 2016, 417â&#x20AC;&#x201C;425.

26. SakĂłw M., Parus A., MiÄ&#x2026;dlicki K., Predictive method of force determination in the force-feedback communication channel of remotely controlled system (in Polish), â&#x20AC;&#x153;Modelowanie inĹźynierskieâ&#x20AC;?, Vol. 31, No. 62, 2017, 88â&#x20AC;&#x201C;97.

27. Sakow M., Parus A., Pajor M., Miadlicki K., Unilateral Hydraulic Telemanipulation System for Operation in Machining Work Area, Advances in Manufacturing, Springer, 2018, 415â&#x20AC;&#x201C;425, DOI: 10.1007/978-3-319-68619-6_40.

28. SakĂłw M., Parus A., Pajor M., MiÄ&#x2026;dlicki K., Nonlinear inverse modeling with signal prediction in bilateral teleoperation with force-feedback, 2017 22nd International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), IEEE, MiÄ&#x2122;dzyzdroje, Poland, 2017, 141â&#x20AC;&#x201C;146, DOI: 10.1109/MMAR.2017.8046813.

29. Seraji H., Colbaugh R., Adaptive force-based impedance control, IROS â&#x20AC;&#x2DC;93. Proceedings of the 1993 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 1993, Vol. 1533, 1537â&#x20AC;&#x201C;1544, DOI: 10.1109/IROS.1993.583844.

30. Seul J., Hsia T.C., Bonitz R.G., Force tracking impedance control of robot manipulators under unknown environment, â&#x20AC;&#x153;IEEE Transactions on Control Systems Technologyâ&#x20AC;?, Vol. 12, No. 3, 2004, 474â&#x20AC;&#x201C;483, DOI: 10.1109/TCST.2004.824320.

31. Stateczny K., Pajor M., Miadlicki K., Sakow M., MEMS based system for controlling and programing industrial manipulator Fanuc s-420F using gestures, â&#x20AC;&#x153;Problemy Eksploatacjiâ&#x20AC;?, 4/2017, 107, 81â&#x20AC;&#x201C;89.

32. Stuart K.D., Majewski M., Intelligent Opinion Mining and Sentiment Analysis Using Artificial Neural Networks, International Conference on Neural Information Processing, Springer, Istanbul, Turkey, 2015, 103â&#x20AC;&#x201C;110, DOI: 10.1007/978-3-319-26561-2_13.

33. Stuart K.D., Majewski M., Trelis A.B., Intelligent semantic-based system for corpus analysis through hybrid probabi-

29

Load Self-Sensing Control Scheme for Telemanipulation - Part 2: Experiment 37. Yong Z., Barth E.J., Impedance Control of a Pneumatic Actuator for Contact Tasks, Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2005, 987â&#x20AC;&#x201C;992, DOI: 10.1109/ROBOT.2005.1570245.

38. Zhang T., Jiang L., Wu X., Feng W., Zhou D., Liu H., Fingertip Three-Axis Tactile Sensor for Multifingered Grasping, â&#x20AC;&#x153;IEEE/ASME Transactions on Mechatronicsâ&#x20AC;?, Vol. 20, No. 4, 2014, 1875â&#x20AC;&#x201C;1885, DOI: 10.1109/TMECH.2014.2357793.

39. Zhou M., Ben-Tzvi P., RML Glove â&#x20AC;&#x201C; An Exoskeleton Glove Mechanism With Haptics Feedback, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 20, No. 2, 2015, 641â&#x20AC;&#x201C;652, DOI: 10.1109/TMECH.2014.2305842.

listic neural networks, International Symposium on Neural Networks, Springer, 2011, 83â&#x20AC;&#x201C;92, DOI: 10.1007/978-3-642-21105-8_11.

34. Tadano K., Kawashima K., Development of 4-DOFs forceps with force sensing using pneumatic servo system, Proceedings 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation, ICRA 2006, 2250â&#x20AC;&#x201C;2255, DOI: 10.1109/ROBOT.2006.1642038.

35. Taghizadeh M., Ghaffari A., Najafi F., Improving dynamic performances of PWM-driven servo-pneumatic systems via a novel pneumatic circuit, â&#x20AC;&#x153;ISA Transactionsâ&#x20AC;?, Vol. 48, No. 4, 2009, 512â&#x20AC;&#x201C;518, DOI: 10.1016/j.isatra.2009.05.001.

36. Yokokohji Y., Yoshikawa T., Bilateral control of master-slave manipulators for ideal kinesthetic coupling-formulation and experiment, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 10, No. 5, 1994, 605â&#x20AC;&#x201C;620, DOI: 10.1109/70.326566.

# " I E IS " 7 D ,G " %

W artykule przedstawiono podejĹ&#x203A;cie do projektowania sterowania dwustronnych systemĂłw zdalnej operacji ze sprzÄ&#x2122;Ĺźeniem zwrotnym, przeznaczonym wyĹ&#x201A;Ä&#x2026;cznie do wykrywania obciÄ&#x2026;Ĺźenia. Opis problemu, analiza dotychczasowych osiÄ&#x2026;gniÄ&#x2122;Ä&#x2021; badawczych oraz zakres badania zostaĹ&#x201A;y zawarte w pracy. Nowy projekt jednostki sterujÄ&#x2026;cej dla systemu Master-Slave z siĹ&#x201A;owym sprzÄ&#x2122;Ĺźeniem zwrotnym oparty zostaĹ&#x201A; na modelu NARX. Model zostaĹ&#x201A; uĹźyty do odejmowania wartoĹ&#x203A;ci siĹ&#x201A;y w kanale komunikacyjnym sprzÄ&#x2122;Ĺźenia zwrotnego, ktĂłry jest generowany przez system podczas ruchu swobodnego. EfektywnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; dziaĹ&#x201A;ania nowego podejĹ&#x203A;cia zostaĹ&#x201A;a potwierdzone na prostym pneumatycznym stanowisku badawczym obrotowego ramienia manipulatora. W pracy przedstawiono procedurÄ&#x2122; modelowania i konfiguracji eksperymentalnej, a takĹźe model zastosowany w ukĹ&#x201A;adzie sterowania. Opisane sÄ&#x2026; dwa eksperymenty przeprowadzone na ukĹ&#x201A;adzie sterowania systemu masterslave z siĹ&#x201A;owym sprzÄ&#x2122;Ĺźeniem zwrotnym. )

0 " S " E

0 % 3 0% 6 ,2

0 "

3 0% 6 ,2

" % ) % %

%" ) % %

J = ,&*& @ ! B% % = Q K = @ = 0 " / " # ! @ 0 < = ,&*$% 8 ,&*A ! Q% % = Q K = @ = 0 " / " # ! @ % J E " " @ ! " = " @0 = 0 ? 00 % L " ,&*4 E = 8 0 Q < = L 0 Q K = = Q % L " ,&*A @

" 0 Q " % L " ,&*A " "E 0 > QK%

J = ,&&. ! B% % = > " R E K = = 0 " / " @ # ! 0 < = ,&**% 8 ,&*$ ! Q% % = > " R E K = = 0 " / " # ! 0 < @ = % J @ = " = = P % L " ,&*$ E = 8 0 Q < = L 0 Q K = @ = Q % L " ,&*$

" 0 Q @ " % L " ,&*A " "E 0 8KKK%

30

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 22, Nr 1/2018, 31â&#x20AC;&#x201C;36, DOI: 10.14313/PAR_227/31

Q 7 % 7 3 0 $ 0 3 !

H / K > " % H% P **?*, .&@,$$ H

%

W ostatnich czasach zaobserwowaÄ&#x2021; moĹźna rozwĂłj pojazdĂłw elektrycznych.

Czynnikami, ktĂłre pozytywnie wpĹ&#x201A;ywajÄ&#x2026; na to zjawisko jest redukcja emisji spalin oraz haĹ&#x201A;asu, ktĂłre generujÄ&#x2026; standardowe pojazdy. Przy mniejszych, mobilnych konstrukcjach elektrycznych, dodatkowÄ&#x2026; zaletÄ&#x2026; jest zmniejszenie problemu zwiÄ&#x2026;zanego z zatĹ&#x201A;oczeniem ulic. ArtykuĹ&#x201A; przedstawia projekt oraz wykonanie monocyklu elektrycznego. UwzglÄ&#x2122;dniajÄ&#x2026;c zaĹ&#x201A;oĹźenia projektowe, opisano konstrukcjÄ&#x2122; mechanicznÄ&#x2026; i elektronicznÄ&#x2026;. Elementy skĹ&#x201A;adowe pojazdu poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czono w caĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021;, tworzÄ&#x2026;c spĂłjnÄ&#x2026; konstrukcjÄ&#x2122;. )

0 " " "

/ 6

WedĹ&#x201A;ug najlepszej wiedzy autorĂłw, w literaturze polskojÄ&#x2122;zycznej brakuje publikacji dotyczÄ&#x2026;cych monocykli.

AktywnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; czĹ&#x201A;owieka powoduje wzmoĹźony popyt na indywidualne Ĺ&#x203A;rodki transportu. W wyniku tego nastÄ&#x2122;puje wzrost liczby samochodĂłw osobowych. SamochĂłd umoĹźliwia szybkie przemieszczanie siÄ&#x2122; bez szeregu ograniczeĹ&#x201E; zwiÄ&#x2026;zanych np. z harmonogramem komunikacji miejskiej. Niestety w konsekwencji drogi stajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; coraz bardziej zatĹ&#x201A;oczone. Ponadto roĹ&#x203A;nie iloĹ&#x203A;Ä&#x2021; emitowanych spalin, wpĹ&#x201A;ywajÄ&#x2026;c negatywnie na Ĺ&#x203A;rodowisko.

Problemy te wystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026; mimo ograniczeĹ&#x201E; dotyczÄ&#x2026;cych uĹźytkowania starszych samochodĂłw, czy wprowadzenia zniĹźek na bilety komunikacji miejskiej. Przypuszcza siÄ&#x2122;, iĹź alternatywÄ&#x2026; dla samochodĂłw mogÄ&#x2026; byÄ&#x2021; maĹ&#x201A;e pojazdy elektryczne, ktĂłre bÄ&#x2122;dÄ&#x2026; tanie w utrzymaniu, Ĺ&#x201A;atwe w eksploatacji oraz przede wszystkim ekologiczne. WychodzÄ&#x2026;c naprzeciw oczekiwaniom zdecydowano siÄ&#x2122; na zaprojektowanie i wykonanie monocyklu elektrycznego.

Zaprojektowany monocykl jest pojazdem jednoĹ&#x203A;ladowym, ktĂłry ma jedno koĹ&#x201A;o napÄ&#x2122;dzane silnikiem elektrycznym. Pojazd nie emituje spalin, dziÄ&#x2122;ki czemu jest ekologiczny. UrzÄ&#x2026;dzenie moĹźna rĂłwnieĹź przetransportowaÄ&#x2021; w inne dowolne miejsce, co czyni go w peĹ&#x201A;ni mobilnym. Wyzwaniem stojÄ&#x2026;cym przed uĹźytkownikiem jest umiejÄ&#x2122;tnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; balansowania ciaĹ&#x201A;em podczas jazdy.

Ostatnio zaobserwowaÄ&#x2021; moĹźna coraz szersze moĹźliwoĹ&#x203A;ci stosowania pojazdĂłw opartych na zasadzie zachowania rĂłwnowagi w danym wymiarze â&#x20AC;&#x201C; od automatycznych odkurzaczy przez pojazdy sĹ&#x201A;uĹźÄ&#x2026;ce przemieszczaniu siÄ&#x2122; [1, 2]. Monocyklu elektrycznego nie moĹźna jednak zakwalifikowaÄ&#x2021; jako pojazdu w peĹ&#x201A;ni samobalansujÄ&#x2026;cego, gdyĹź za stan zachowania rĂłwnowagi odpowiada poĹ&#x203A;rednio uĹźytkownik. Zasada dziaĹ&#x201A;ania jest jednak zbliĹźona do dwukoĹ&#x201A;owych balansujÄ&#x2026;cych pojazdĂłw mobilnych [3â&#x20AC;&#x201C;7].

$

' 0 R E E % ) =% % $

,A%&*%,&*. % ,&%&,%,&*. %

! "" # $%&

# 5 (

GĹ&#x201A;Ăłwnym celem projektu byĹ&#x201A;o zbudowanie wytrzymaĹ&#x201A;ego pojazdu sĹ&#x201A;uĹźÄ&#x2026;cego przemieszczaniu siÄ&#x2122;, ktĂłrego dziaĹ&#x201A;anie opiera siÄ&#x2122; na zasadzie zmiany kÄ&#x2026;ta wychylenia uĹźytkownika.

Koszt realizacji projektu byĹ&#x201A; jednym z gĹ&#x201A;Ăłwnych wyznacznikĂłw, dlatego teĹź zastosowano silnik DC (ang. Direct Current), ktĂłry jest znacznie taĹ&#x201E;szy od silnika BLDC (ang. BrushLess Direct Current). KoĹ&#x201E;cowy wyglÄ&#x2026;d monocyklu odbiega od tych dostÄ&#x2122;pnych na rynku. Starano siÄ&#x2122; uzyskaÄ&#x2021; jak najwyĹźszÄ&#x2026; jakoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wykonania, zapewniajÄ&#x2026;c jednoczeĹ&#x203A;nie bezpieczeĹ&#x201E;stwo w trakcie eksploatacji pojazdu oraz wytrzymaĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; na przeciÄ&#x2026;Ĺźenia zwiÄ&#x2026;zane z masÄ&#x2026; wĹ&#x201A;asnÄ&#x2026; uĹźytkownika. Zmiany prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci podczas jazdy powinny odbywaÄ&#x2021; siÄ&#x2122; moĹźliwie pĹ&#x201A;ynnie, bez wiÄ&#x2122;kszych szarpniÄ&#x2122;Ä&#x2021; przekĹ&#x201A;adni Ĺ&#x201A;aĹ&#x201E;cuchowej. Wymiary konstrukcji powinny byÄ&#x2021; takie, aby zmieĹ&#x203A;ciÄ&#x2021; monocykl miÄ&#x2122;dzy nogami, przy zachowaniu komfortu dla kierowcy. ZaĹ&#x201A;oĹźono, Ĺźe masa caĹ&#x201A;ej konstrukcji nie powinna przekroczyÄ&#x2021; 10 kg czyli tyle, ile wynosi masa komercyjnych monocykli. Czas pracy baterii powinien zapewniÄ&#x2021; okoĹ&#x201A;o 15 minut jazdy. W konstrukcji nie uwzglÄ&#x2122;dniono amortyzatorĂłw, dlatego teĹź pojazd nie jest przystosowany do pokonywania wiÄ&#x2122;kszych przeszkĂłd, takich jak krawÄ&#x2122;Ĺźniki czy uskoki.

U + 6%b , W konstrukcji mechanicznej moĹźna wyróşniÄ&#x2021; trzy gĹ&#x201A;Ăłwne czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci, ktĂłre Ĺ&#x203A;ciĹ&#x203A;le powiÄ&#x2026;zano ze sobÄ&#x2026; za pomocÄ&#x2026; Ĺ&#x203A;rub bÄ&#x2026;dĹş spawĂłw, pozwalajÄ&#x2026;c jednoczeĹ&#x203A;nie na swobodnÄ&#x2026; jazdÄ&#x2122; w dowolnym kierunku. Elementami tymi sÄ&#x2026;: silnik prÄ&#x2026;du staĹ&#x201A;ego, rama gĹ&#x201A;Ăłwna oraz przekĹ&#x201A;adnia Ĺ&#x201A;aĹ&#x201E;cuchowa. Silnik, mimo iĹź jest elementem elektrycznym, Ĺ&#x203A;wiadomie zostaĹ&#x201A; opisany w niniejszym rozdziale, dotyczÄ&#x2026;cym budowy ukĹ&#x201A;adĂłw mechanicznych. Argumentowane jest to tym, iĹź konstrukcja mechaniczna zostaĹ&#x201A;a dostosowana Ĺ&#x203A;ciĹ&#x203A;le do zastosowanego modelu silnika. CaĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; zostaĹ&#x201A;a zaprojektowana w Ĺ&#x203A;rodowisku Autodesk Inventor Professional 2017 [8]. KoĹ&#x201E;cowÄ&#x2026; wizualizacjÄ&#x2122; konstrukcji mechanicznej pokazano na rysunku 1. Na rysunku 2 zaprezentowano

31

Monocykl elektryczny â&#x20AC;&#x201C; projekt i realizacja

U U . E ,

widok wykonanej ostatecznej wersji monocyklu. W kolejnych podrozdziaĹ&#x201A;ach zostaĹ&#x201A;y szczegĂłĹ&#x201A;owo omĂłwione skĹ&#x201A;adowe czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci caĹ&#x201A;ego projektu mechanicznego.

UkĹ&#x201A;ad napÄ&#x2122;dowy skĹ&#x201A;ada siÄ&#x2122; z przekĹ&#x201A;adni Ĺ&#x201A;aĹ&#x201E;cuchowej, gdzie jedno z kĂłĹ&#x201A; zÄ&#x2122;batych (koĹ&#x201A;o wejĹ&#x203A;ciowe) znajduje siÄ&#x2122; na wale silnika, natomiast drugie umieszczono na osi koĹ&#x201A;a (koĹ&#x201A;o wyjĹ&#x203A;ciowe). Oba koĹ&#x201A;a poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czono Ĺ&#x201A;aĹ&#x201E;cuchem. Zdecydowano siÄ&#x2122; wykorzystaÄ&#x2021; ten rodzaj napÄ&#x2122;du, gdyĹź charakteryzuje siÄ&#x2122; on zachowaniem wysokiej sprawnoĹ&#x203A;ci oraz zapewnia pracÄ&#x2122; bez poĹ&#x203A;lizgu. Stosunek wielkoĹ&#x203A;ci kĂłĹ&#x201A; opisuje wyraĹźenie:

U / : 7

Po analizie, w projekcie zastosowano silnik szczotkowy (DC), zasilany napiÄ&#x2122;ciem 24 V o mocy 500Â W (model ZY1020GD).

Parametry silnika dobrano tak, aby wprawiÄ&#x2021; w ruch caĹ&#x201A;y mechanizm napÄ&#x2122;dowy. Charakteryzuje siÄ&#x2122; on momentem obrotowym 1,91 Nm, prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; obrotowÄ&#x2026; pod obciÄ&#x2026;Ĺźeniem na poziomie 2500 obr./min oraz natÄ&#x2122;Ĺźeniem prÄ&#x2026;du poniĹźej 26,7 A [9].

(1)

gdzie: N â&#x20AC;&#x201C; wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; przekĹ&#x201A;adni [â&#x20AC;&#x201C;], n1 â&#x20AC;&#x201C; liczba zÄ&#x2122;bĂłw na wiÄ&#x2122;kszym kole [â&#x20AC;&#x201C;], n2 â&#x20AC;&#x201C; liczba zÄ&#x2122;bĂłw na mniejszym kole [â&#x20AC;&#x201C;].

U # 4 & 7 Podstawowym zadaniem ramy monocyklu jest utrzymanie ciÄ&#x2122;Ĺźaru czĹ&#x201A;owieka oraz zapewnienie optymalnego rozmieszczenia wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci. Wszystkie spawy zostaĹ&#x201A;y wykonane spawarkÄ&#x2026; inwertorowÄ&#x2026;, wykorzystujÄ&#x2026;c elektrody otulone [10].

Jako gĹ&#x201A;Ăłwny element ramy, ze wzglÄ&#x2122;du na duĹźÄ&#x2026; wytrzymaĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021;, wykorzystano widelec aluminiowy z roweru trekkingowego, ktĂłry zmodyfikowano. PrzyĹ&#x201A;Ä&#x2026;czono do niego dwie stalowe podstawki, ktĂłre zapewniĹ&#x201A;y mocowanie silnika. PozostaĹ&#x201A;a powierzchnia rury, ktĂłra znajduje siÄ&#x2122; powyĹźej silnika, zostaĹ&#x201A;a wygiÄ&#x2122;ta o kÄ&#x2026;t 45°, peĹ&#x201A;niÄ&#x2026;c rolÄ&#x2122; rÄ&#x2026;czki do transportu monocyklu. WizualizacjÄ&#x2122; mocowania silnika przedstawiono na rysunku 3.

NastÄ&#x2122;pnie doĹ&#x201A;Ä&#x2026;czono koĹ&#x201A;o o Ĺ&#x203A;rednicy 16 cali i zamontowano podnóşki. SkĹ&#x201A;adajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; one z zawiasu dolnego, gĂłrnego oraz stopy, ktĂłrÄ&#x2026; wyciÄ&#x2122;to z arkusza stali nierdzewnej (rys. 4). Stopa zostaĹ&#x201A;a przykrÄ&#x2122;cona do zawiasu dolnego oraz punktowo przyspawana. Z gĂłry natomiast zostaĹ&#x201A;a pokryta gumowÄ&#x2026; powierzchniÄ&#x2026; antypoĹ&#x203A;lizgowÄ&#x2026;. CaĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; naĹ&#x201A;oĹźono na oĹ&#x203A; koĹ&#x201A;a, a nastÄ&#x2122;pnie poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czono z dolnÄ&#x2026; czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ciÄ&#x2026; golenia za pomocÄ&#x2026; Ĺ&#x203A;rub. Tak zbudowany mechanizm umoĹźliwia skĹ&#x201A;adanie i rozkĹ&#x201A;adanie podnóşka. W celu uĹ&#x201A;atwienia uĹźytkownikowi utrzymania rĂłwnowagi podczas przemieszczania siÄ&#x2122;, podnóşki Ĺ&#x203A;wiadomie umieszczono poniĹźej Ĺ&#x203A;rodka ciÄ&#x2122;ĹźkoĹ&#x203A;ci koĹ&#x201A;a (osi obrotu). Ĺ Ä&#x2026;czenie podnóşka z ramÄ&#x2026; konstrukcyjnÄ&#x2026; pokazano na rysunku 5.

W celu wyliczenia momentu obrotowego koĹ&#x201A;a, naleĹźy wyznaczyÄ&#x2021; moment obrotowy zÄ&#x2122;batki wyjĹ&#x203A;ciowej: Mn = Msil¡N¡m

(2)

gdzie: Mn â&#x20AC;&#x201C; moment obrotowy koĹ&#x201A;a napÄ&#x2122;dowego [N m], Msil â&#x20AC;&#x201C; moment obrotowy zÄ&#x2122;batki silnika [N m], N â&#x20AC;&#x201C; staĹ&#x201A;a przekĹ&#x201A;adni [â&#x20AC;&#x201C;], m â&#x20AC;&#x201C; sprawnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; przekĹ&#x201A;adni [%].

PodstawiajÄ&#x2026;c moment obrotowy silnika, ktĂłry odczytano z noty katalogowej, oraz staĹ&#x201A;Ä&#x2026; wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; sprawnoĹ&#x203A;ci przekĹ&#x201A;adni, otrzymujemy: Mn = 1,98¡7,27¡0,8 = 11,51 N¡m

(3)

NastÄ&#x2122;pnie, po zmierzeniu promienia koĹ&#x201A;a monocyklu i zÄ&#x2122;batki wyjĹ&#x203A;ciowej oraz wyliczeniu stosunku tych wartoĹ&#x203A;ci, ktĂłry wynosi 2,41, moĹźna wyliczyÄ&#x2021; moment obrotowy koĹ&#x201A;a: Mk = 11,51¡2,41 = 27,74 N¡m

(4)

Rys. 3. Wizualizacja mocowania silnika Fig. 3. Visualization of the engine mounting

Rys. 1. Finalna wizualizacja konstrukcji mechanicznej Fig. 1. The final visualization of the mechanical structure

32

P

O

M

I

Rys. 2. Widok ostatecznej wersji monocyklu Fig. 2. View of the final version of the monocycle

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

" # $ %

Rys. 6. Mocowanie zÄ&#x2122;batki wyjĹ&#x203A;ciowej Fig. 6. Fastening the starting rack Rys. 4. Schemat zĹ&#x201A;oĹźeniowy podnóşka Fig. 4. Folding diagram of the footrest

+ 6%b

Rys. 5. Wizualizacja Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;czenia podnóşka z ramÄ&#x2026; konstrukcyjnÄ&#x2026; Fig. 5. Visualization of connecting the footrest with the construction frame

Obliczone wielkoĹ&#x203A;ci Mn i Mk pokazujÄ&#x2026;, jakie momenty obrotowe osiÄ&#x2026;ga przekĹ&#x201A;adnia i koĹ&#x201A;o monocyklu. Po wykonaniu powyĹźszych obliczeĹ&#x201E; przystÄ&#x2026;piono do budowy przekĹ&#x201A;adni.

Aby zapobiec zjawisku bicia osiowego i promieniowego naleĹźaĹ&#x201A;o zaprojektowaÄ&#x2021;, a nastÄ&#x2122;pnie doĹ&#x201A;Ä&#x2026;czyÄ&#x2021; elementy stabilizujÄ&#x2026;ce zÄ&#x2122;batkÄ&#x2122;. Przyspawano wiÄ&#x2122;c do obu stron piasty dwie tarcze dociskowe. WizualizacjÄ&#x2122; mocowania zÄ&#x2122;batki wyjĹ&#x203A;ciowej przedstawiono na rysunku 6.

DziÄ&#x2122;ki tak zbudowanemu ukĹ&#x201A;adowi moĹźemy wyliczyÄ&#x2021; prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; obrotowÄ&#x2026; koĹ&#x201A;a. PodstawiajÄ&#x2026;c do zaleĹźnoĹ&#x203A;ci (5) wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; sprawnoĹ&#x203A;ci przekĹ&#x201A;adni na poziomie 80% mamy [11]:

Za czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; elektronicznÄ&#x2026; odpowiadajÄ&#x2026; cztery odrÄ&#x2122;bne podzespoĹ&#x201A;y, a mianowicie: zasilanie, gĹ&#x201A;Ăłwna jednostka sterujÄ&#x2026;ca, sterownik silnika oraz urzÄ&#x2026;dzenia pomiarowe. KaĹźdy z nich musi speĹ&#x201A;niaÄ&#x2021; kryterium nominalnego obsĹ&#x201A;ugujÄ&#x2026;cego napiÄ&#x2122;cia wejĹ&#x203A;ciowego oraz prÄ&#x2026;dĂłw, zarĂłwno ciÄ&#x2026;gĹ&#x201A;ych, jak i chwilowych.

BiorÄ&#x2026;c pod uwagÄ&#x2122; dalszÄ&#x2026; rozbudowÄ&#x2122; projektu zdecydowano siÄ&#x2122; na umieszczenie wszystkich elementĂłw elektronicznych na pĹ&#x201A;ytce uniwersalnej, wykorzystujÄ&#x2026;c metodÄ&#x2122; montaĹźu przewlekanego THT (ang. Through-Hole Technology) [10]. Aby zapobiec uszkodzeniu ukĹ&#x201A;adu pĹ&#x201A;ytkÄ&#x2122; uniwersalnÄ&#x2026; przymocowano trwale do skrzynki ochronnej. Schemat poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeniowy ukĹ&#x201A;adĂłw elektronicznych przedstawiono na rysunku 7.

UwzglÄ&#x2122;dniajÄ&#x2026;c wystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;ce wartoĹ&#x203A;ci prÄ&#x2026;du i napiÄ&#x2122;cia silnika, przewody zasilajÄ&#x2026;ce dobrano tak, aby zapewniĹ&#x201A;y jak najmniejsze spadki napiÄ&#x2122;cia. Taki sam rodzaj przewodĂłw zastosowano przy szeregowym Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;czeniu akumulatorĂłw oraz zasilaniu przetwornicy.

Do wyliczenia spadku napiÄ&#x2122;cia na uĹźytym przewodzie skorzystano z zaleĹźnoĹ&#x203A;ci: (7) gdzie: Î&#x201D;U â&#x20AC;&#x201C; wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; spadku napiÄ&#x2122;cia [%], In â&#x20AC;&#x201C; wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; prÄ&#x2026;du znamionowego [A], l â&#x20AC;&#x201C; dĹ&#x201A;ugoĹ&#x203A;Ä&#x2021; przewodu [m], sâ&#x20AC;&#x201C; konduktywnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; [S m/mm2], Un â&#x20AC;&#x201C; wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; napiÄ&#x2122;cia znamionowego [V], s â&#x20AC;&#x201C; pole przekroju poprzecznego kabla zasilajÄ&#x2026;cego [mm2].

WykorzystujÄ&#x2026;c miedziany przewĂłd o przekroju 2,5 mm2 i dĹ&#x201A;ugoĹ&#x203A;ci 0,3 m oraz podstawiajÄ&#x2026;c dane katalogowe silnika otrzymano:

(5)

(8)

gdzie: Ď&#x2030; â&#x20AC;&#x201C; prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; obrotowa [rad/s], RPM â&#x20AC;&#x201C; prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; obrotowa silnika [obr./min], N â&#x20AC;&#x201C; wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; przekĹ&#x201A;adni [â&#x20AC;&#x201C;].

Dla poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeĹ&#x201E; czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci logicznej pominiÄ&#x2122;to obliczenia, gdyĹź wystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;ce spadki napiÄ&#x2122;cia sÄ&#x2026; nieistotne.

ProjektujÄ&#x2026;c czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; elektronicznÄ&#x2026; naleĹźy uwzglÄ&#x2122;dniÄ&#x2021; zjawisko kompatybilnoĹ&#x203A;ci elektromagnetycznej, ktĂłre moĹźe byÄ&#x2021; ĹşrĂłdĹ&#x201A;em potencjalnych zakĹ&#x201A;ĂłceĹ&#x201E;. W celu zabezpieczenia ukĹ&#x201A;adu przed ewentualnymi nieprawidĹ&#x201A;owoĹ&#x203A;ciami naleĹźy speĹ&#x201A;niÄ&#x2021; kilka podstawowych zasad [13]. W stworzonym projekcie kaĹźdy element cyfrowy oraz analogowy zostaĹ&#x201A; zasilony napiÄ&#x2122;ciem o odpowiedniej wartoĹ&#x203A;ci, zgodnie z dokumentacjÄ&#x2026; technicznÄ&#x2026;. Ponadto dÄ&#x2026;Ĺźono do uzyskania moĹźliwie jak najwiÄ&#x2122;kszej liczby poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeĹ&#x201E;

WykorzystujÄ&#x2026;c dane katalogowe silnika oraz wyliczonÄ&#x2026; wczeĹ&#x203A;niej wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; przekĹ&#x201A;adni, maksymalna prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; obrotowa koĹ&#x201A;a wynosi: (6)

33

Monocykl elektryczny â&#x20AC;&#x201C; projekt i realizacja

Rys. 7. Schemat poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeniowy czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci elektronicznych Fig. 7. Connection diagram of electronic components

/ 5

Do zasilania monocyklu wykorzystano akumulatory litowo-polimerowe. Kryterium wyboru byĹ&#x201A;o zapewnienie odpowiednio wysokiego napiÄ&#x2122;cia (24 V) oraz wymaganej wydajnoĹ&#x203A;ci prÄ&#x2026;dowej. Zdecydowano siÄ&#x2122; na zakup akumulatora Li-Pol firmy Redox, skĹ&#x201A;adajÄ&#x2026;cego siÄ&#x2122; z trzech ogniw o Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;cznej pojemnoĹ&#x203A;ci 3000 mAh [14]. PrÄ&#x2026;d rozĹ&#x201A;adowywania akumulatora wynosi 60Â A, co umoĹźliwia obsĹ&#x201A;ugÄ&#x2122; znacznie wyĹźszych prÄ&#x2026;dĂłw rozruchowych.

Koniecznym okazaĹ&#x201A;o siÄ&#x2122; poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenie dwĂłch akumulatorĂłw, gdyĹź pojedynczy pakiet generowaĹ&#x201A; niewystarczajÄ&#x2026;cÄ&#x2026; wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; napiÄ&#x2122;cia. Oba akumulatory poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czono szeregowo (Rys. 9). DziÄ&#x2122;ki temu uzyskano napiÄ&#x2122;cie o wartoĹ&#x203A;ci 22,2 V, czyli zbliĹźone do wartoĹ&#x203A;ci znamionowej zastosowanego silnika.

UwzglÄ&#x2122;dniajÄ&#x2026;c dane katalogowe akumulatorĂłw obliczono przybliĹźony czas pracy monocyklu: (9)

gdzie: t â&#x20AC;&#x201C; czas pracy [h], C â&#x20AC;&#x201C; pojemnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; pakietu [Ah], â&#x20AC;&#x201C; Ĺ&#x203A;rednia wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; pobieranego prÄ&#x2026;du [A].

W celu wydĹ&#x201A;uĹźenia czasu pracy monocyklu kolejne pakiety (Rys. 9) naleĹźy Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;czyÄ&#x2021; rĂłwnolegle.

Zasilanie pozostaĹ&#x201A;ych elementĂłw czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci logicznej, z wyjÄ&#x2026;tkiem kontaktronu, zostaĹ&#x201A;o doprowadzone z pinu 5 V jednostki sterujÄ&#x2026;cej Arduino. Komputer Arduino zasilono natomiast poĹ&#x203A;rednio przez akumulatory â&#x20AC;&#x201C; wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; napiÄ&#x2122;cia zostaĹ&#x201A;a obniĹźona do 7 V przez przetwornicÄ&#x2122; obniĹźajÄ&#x2026;cÄ&#x2026; napiÄ&#x2122;cie LM2596 [15]. Kontaktron wymagaĹ&#x201A; niĹźszej wartoĹ&#x203A;ci napiÄ&#x2122;cia (okoĹ&#x201A;o 1,5 V), dlatego zdecydowano siÄ&#x2122; zbudowaÄ&#x2021; dzielnik napiÄ&#x2122;cia zĹ&#x201A;oĹźony z dwĂłch rezystorĂłw 220 Ί.

Rys. 8. Struktura elektroniczna monocyklu Fig. 8. Electronic structure of a monocycle

masy ukĹ&#x201A;adu cyfrowego z masÄ&#x2026; obudowy, zabezpieczajÄ&#x2026;c w ten sposĂłb ukĹ&#x201A;ad przez zakĹ&#x201A;Ăłceniami pochodzÄ&#x2026;cymi od sprzÄ&#x2122;Ĺźenia pĹ&#x201A;ytki z obudowÄ&#x2026;. Z racji tego, iĹź pojazd zasilany jest silnikiem prÄ&#x2026;du staĹ&#x201A;ego, w ktĂłrym wartoĹ&#x203A;ci prÄ&#x2026;du pobieranego sÄ&#x2026; znaczÄ&#x2026;ce, zdecydowano o odseparowaniu go od pozostaĹ&#x201A;ych elementĂłw elektronicznych. UkĹ&#x201A;ad elektroniczny (rys. 7) umieszczono w szczelnej obudowie.

Na rysunku 8 pokazano strukturÄ&#x2122; elektronicznÄ&#x2026; monocyklu wraz z wystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;cymi sygnaĹ&#x201A;ami pomiÄ&#x2122;dzy danym elementem pojazdu.

34

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

# ; 7

' Jako centralnÄ&#x2026; jednostkÄ&#x2122; sterujÄ&#x2026;cÄ&#x2026; wykorzystano moduĹ&#x201A; Arduino UNO. Ma on wbudowany mikrokontroler ATMega328. Programowanie jednostki odbywa siÄ&#x2122; w Ĺ&#x203A;rodowisku Arduino IDE z wykorzystaniem odpowiednich bibliotek [16].

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

" # $ %

tron. Jest to Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;cznik elektryczny, sterowany przez pole magnetyczne. Impulsy elektryczne zliczane sÄ&#x2026; wtedy, gdy kontaktron znajdzie siÄ&#x2122; na tej samej wysokoĹ&#x203A;ci, co magnes zamontowany na szprysze koĹ&#x201A;a. Na podstawie czÄ&#x2122;stoĹ&#x203A;ci impulsĂłw oraz znajomoĹ&#x203A;ci promienia koĹ&#x201A;a obliczana jest prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; obrotowa pojazdu.

[ .

Rys. 9. Schemat poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenia akumulatorĂłw Fig. 9. Battery connection diagram

Do komunikacji z Ĺźyroskopem wykorzystano magistralÄ&#x2122; I2C, ktĂłra zapewnia przesyĹ&#x201A;anie danych miÄ&#x2122;dzy urzÄ&#x2026;dzeniami za pomocÄ&#x2026; dwukierunkowych linii â&#x20AC;&#x201C; SDA (ang. Serial Data Line) (pin A4 â&#x20AC;&#x201C; rys. 7) oraz SCL (ang. Serial Clock Line) (pin A5 â&#x20AC;&#x201C; rys. 7). Komunikacja odbywa siÄ&#x2122; w trybie Master-Slave [17].

Zaproponowano dwie metody sterowania. Na poczÄ&#x2026;tku pojazd pracowaĹ&#x201A; w otwartej pÄ&#x2122;tli sterowania. Po przeprowadzonych testach zdecydowano siÄ&#x2122; na implementacjÄ&#x2122; regulatora PID (ang. Proportional-Integral-Derivative). WielkoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; regulowanÄ&#x2026; jest prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; liniowa monocyklu. Nastawy dobrano stosujÄ&#x2026;c I metodÄ&#x2122; Zieglera-Nicholsa, ktĂłre nastÄ&#x2122;pnie odpowiednio zmodyfikowano przez zastosowanie metody doĹ&#x203A;wiadczalnej [18]. Za pomocÄ&#x2026; prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ciomierza zostaje odczytana aktualna wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci, ktĂłra nastÄ&#x2122;pnie trafia do jednostki sterujÄ&#x2026;cej, gdzie nastÄ&#x2122;puje skalowanie sygnaĹ&#x201A;Ăłw oraz regulacja ukĹ&#x201A;adu.

Z powodu duĹźych bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dĂłw odczytu sygnaĹ&#x201A;u z akcelerometru, spowodowanymi szumami wyjĹ&#x203A;Ä&#x2021; pomiarowych, niezbÄ&#x2122;dnym okazaĹ&#x201A;o siÄ&#x2122; zastosowanie filtru. Wykorzystano do tego filtr Kalmana.

Za pomocÄ&#x2026; wbudowanego w ukĹ&#x201A;ad MPU6050 Ĺźyroskopu, nastÄ&#x2122;puje odczyt wartoĹ&#x203A;ci prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci kÄ&#x2026;towej. NastÄ&#x2122;pnie dokonuje siÄ&#x2122; fuzja z sygnaĹ&#x201A;em pochodzÄ&#x2026;cym z akcelerometru (przyspieszenie kÄ&#x2026;towe). Po realizacji filtracji sygnaĹ&#x201A;Ăłw, sygnaĹ&#x201A; pochodzÄ&#x2026;cy z akcelerometru zostaje pozbawiony szumĂłw [19].

U )

Mikrokontroler ma pin umoĹźliwiajÄ&#x2026;cy generowanie sygnaĹ&#x201A;u prostokÄ&#x2026;tnego PWM (ang. Pulse Width Modulation). Z powodu zbyt duĹźych wartoĹ&#x203A;ci prÄ&#x2026;dĂłw i napiÄ&#x2122;Ä&#x2021; pochodzÄ&#x2026;cych od silnika, niemoĹźliwym byĹ&#x201A;o jego bezpoĹ&#x203A;rednie poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenie z moduĹ&#x201A;em Arduino UNO. NiezbÄ&#x2122;dnym okazaĹ&#x201A;o siÄ&#x2122; wykorzystanie sterownika silnika BTS7960, ktĂłry umoĹźliwia ruch pojazdu w obie strony [20]. Sterownik rĂłwnieĹź wykorzystuje metodÄ&#x2122; sterowania PWM, w ktĂłrej przez modyfikacjÄ&#x2122; szerokoĹ&#x203A;ci impulsu, przy niezmienionej amplitudzie, regulowana jest wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; sygnaĹ&#x201A;u napiÄ&#x2122;ciowego. Na wejĹ&#x203A;cie logiczne sterownika trafia sygnaĹ&#x201A; z centralnej jednostki sterujÄ&#x2026;cej. Na jego podstawie, w celu sterowania silnikiem DC, wytwarzany jest sygnaĹ&#x201A; o odpowiednim wypeĹ&#x201A;nieniu. O kierunku ruchu silnika decyduje stan wysoki na pinach LPWM (ang. Left PWM) oraz RPWM (ang.

Right PWM).

q '

W projekcie wielkoĹ&#x203A;ciami mierzonymi sÄ&#x2026;: kÄ&#x2026;t wychylenia w stosunku do osi poziomej w pozycji stojÄ&#x2026;cej monocyklu oraz prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; obrotowa koĹ&#x201A;a, ktĂłra sĹ&#x201A;uĹźy do regulacji prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci koĹ&#x201A;a.

Do pomiaru kÄ&#x2026;ta odchylenia pojazdu wykorzystano 3-osiowy akcelerometr i Ĺźyroskop MPU6050. Ĺťyroskop mierzy zmianÄ&#x2122; poĹ&#x201A;oĹźenia na podstawie pomiaru obrotu wzglÄ&#x2122;dem danej osi â&#x20AC;&#x201C; w projekcie jest to oĹ&#x203A; Y. Akcelerometr okreĹ&#x203A;la aktualne poĹ&#x201A;oĹźenie na podstawie wartoĹ&#x203A;ci przyspieszenia ziemskiego dziaĹ&#x201A;ajÄ&#x2026;cego na danÄ&#x2026; oĹ&#x203A;. DziÄ&#x2122;ki tym urzÄ&#x2026;dzeniom pomiar wychylenia staje siÄ&#x2122; dokĹ&#x201A;adniejszy [21].

Do pomiaru prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci obrotowej monocyklu, ktĂłrÄ&#x2026; potem przeliczono na wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci liniowej, wykorzystano kontak-

GĹ&#x201A;Ăłwny cel, jakim byĹ&#x201A;o zaprojektowanie oraz wykonanie monocyklu elektrycznego, zostaĹ&#x201A; w peĹ&#x201A;ni zrealizowany. SpeĹ&#x201A;niono rĂłwnieĹź wszystkie zaĹ&#x201A;oĹźenia projektowe dotyczÄ&#x2026;ce ograniczenia maksymalnego budĹźetu oraz zasady dziaĹ&#x201A;ania pojazdu.

Jazda na monocyklu jest moĹźliwa, jednak wymaga umiejÄ&#x2122;tnoĹ&#x203A;ci utrzymania rĂłwnowagi przez kierowcÄ&#x2122;. GĹ&#x201A;ĂłwnÄ&#x2026; wadÄ&#x2026;, ktĂłrÄ&#x2026; zaobserwowano podczas eksploatacji monocyklu, jest zastosowany silnik. Wymusza on zainstalowanie przekĹ&#x201A;adni Ĺ&#x201A;aĹ&#x201E;cuchowej, ktĂłra z kolei powoduje delikatne szarpniÄ&#x2122;cia. Ponadto jego duĹźe gabaryty znacznie ograniczajÄ&#x2026; miejsce na inne komponenty pojazdu. Pojazd ma budowÄ&#x2122; moduĹ&#x201A;owÄ&#x2026;, co umoĹźliwia dalszÄ&#x2026; jego rozbudowÄ&#x2122; i prostÄ&#x2026; zmianÄ&#x2122; komponentĂłw. W przyszĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci zaplanowano prace zwiÄ&#x2026;zane z wymianÄ&#x2026; silnika DC na BLDC oraz doĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenie moduĹ&#x201A;u elektronicznego sĹ&#x201A;uĹźÄ&#x2026;cego do bezprzewodowej komunikacji ze smartfonem.

X & 1. Afonso P., Azevedo J., Cardeira C., Cunha B., Lihma P., Santos V., Challenges and solutions in an autonomous driving mobile robot competition. [in:] Proceedings of the 7th Portuguese Conference on Automatic Control â&#x20AC;&#x201C; CONTROLO, September 11â&#x20AC;&#x201C;13, 2006, Lisbon, Portugal.

2. Freiberger F., Hermanns H., On the Control of Self-Balancing Unicycles. [in:] Proceedings of the Workshop on Models for Formal Analysis of Real Systems (MARS 2015), November 23, 2015, Suva, Fuji, DOI: 10.4204/EPTCS.196.3.

3. Kadis A., Caldecott D., Edwards A., Jerbic M., Madigan R., Haynes M., Cazzolato B., Prime Z., Modelling, simulation and control of an electric unicycle. [in:] Proceedings of the 2010 Australasian Conference on Robotics & Automation (ACRA 2010), December 1â&#x20AC;&#x201C;3, 2010, Bristane, Australia.

4. Pang Chia-Chen, Shih-Ming Pan, Hung-Shiang Chuang, Chih-Huang Chiang, Dynamics Analysis and Robust Control for Electric Unicycles under Constrained Control Force. â&#x20AC;&#x153;Arabian Journal for Science and Engineeringâ&#x20AC;?, Vol. 41, No. 11, 2016, 4487â&#x20AC;&#x201C;4507, DOI: 10.1007/s13369-016-2163-x.

5. Srikanth B., Pavan Kumar Maddukuri S. V., Design and Fabrication of I-Cycle. â&#x20AC;&#x153;International Journal of Electronics and Electrical Engineeringâ&#x20AC;?, Vol. 3, No. 5, 2015, 359â&#x20AC;&#x201C;364, DOI: 10.12720/ijeee.3.5.359-364.

6. PipczyĹ&#x201E;ski P., Piotrowski R., DwukoĹ&#x201A;owy pojazd balansujÄ&#x2026;cy â&#x20AC;&#x201C; budowa i sterowanie. â&#x20AC;&#x17E;Pomiary Automatyka Kontrolaâ&#x20AC;?, Vol. 60, Nr 4, 2014, 244-249.

7. Lebioda S., Sidzina M., JabĹ&#x201A;oĹ&#x201E;ski A., KĹ&#x201A;osiĹ&#x201E;ski J., Robot balansujÄ&#x2026;cy â&#x20AC;&#x201C; implementacja. â&#x20AC;&#x17E;Zeszyty Naukowe WydziaĹ&#x201A;u Elektrotechniki i Automatyki Politechniki GdaĹ&#x201E;skiejâ&#x20AC;?, Nr 55, 2017, 29â&#x20AC;&#x201C;34.

8. Jaskulski A., Autodesk Inventor Professional 2017PL/2017+/ Fusion 360. Metodyka projektowania. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016.

9. Magma: http://www.magmapolska.pl/silnik-szczotkowy-dc/, dostÄ&#x2122;p 16.01.2018.

10. Wilk Z., Poradnik spawacza. Wydawnictwo Tarbonus, KrakĂłw 2014.

11. SkoÄ&#x2021; A., Ĺ&#x161;witoĹ&#x201E;ski E., PrzekĹ&#x201A;adnie zÄ&#x2122;bate. Zasada dziaĹ&#x201A;ania.

Obliczenia geometryczne i wytrzymaĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ciowe. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016.

12. BieczyĹ&#x201E;ski D., Technologia montaĹźu elektroniki. â&#x20AC;&#x17E;Elektronika Praktycznaâ&#x20AC;?, Nr 4, 2013, 75â&#x20AC;&#x201C;78.

35

Monocykl elektryczny â&#x20AC;&#x201C; projekt i realizacja 18. BrzĂłzka J., Regulatory i ukĹ&#x201A;ady automatyki. Wydawnictwo Mikom, Warszawa 2004.

19. ZajÄ&#x2026;c M., Filtracja Kalmana w technice na przykĹ&#x201A;adzie urzÄ&#x2026;dzenia SST. â&#x20AC;&#x17E;Zeszyty Naukowe WyĹźszej SzkoĹ&#x201A;y Informatykiâ&#x20AC;?, Vol, 12, Nr 1, 2013, 5â&#x20AC;&#x201C;20.

20. Datasheet BTS7960.

21. Datasheet MPU6050.

13. Charoy A., KompatybilnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; elektromagnetyczna. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1999.

14. Botland, https://botland.com.pl/akumulatory-li-pol-3s-111v/9317-pakiet-li-pol-redox-3000mah-20c-3s-111v.html, dostÄ&#x2122;p 23.01.2018.

15. Datasheet LM2596.

16. Datasheet Arduino UNO R3.

17. Mielczarek W., Szeregowe interfejsy komunikacyjne. Helion, Gliwice 1993.

K " 7 = 4!

Recently, it has seen a rise in development of electric vehicles. One of the factors that have had a positive impact on this phenomenon include reduction of exhaust gases and noise, emitted by standard vehicles. The additional advantage of smaller and more mobile electrical construction, is reduction of the crowded streets. This article highlights design and implementation of an electric monocycle. The mechanical and electronic structure have been detailed, taking into account the design aims. The combined components of the vehicle have eventually created a coherent construction.

Keywords0 " = = " "

2 % 7

2 0 $ 0

)=" % "

" "*,,&)=" % "

>E M S = / K > @ " H N @ > " R E D > @ " " O% @ G " = " @ " %

>E M S @ = / K > " H N @ @ > " R E D > " " O% @ G " = " E %

2 !

E % ) =% % %>E / K @ > " H @ N > " R E @ O N,&&* %O% / ,&&A % @ N> " R E O% CE ( @ K "M @ 8 0 " % @ I " " " " " %

36

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 22, Nr 1/2018, 37â&#x20AC;&#x201C;42, DOI: 10.14313/PAR_227/37

E E = " 4%& Arkadiusz Adamczak, Marcin Nowicki E @# = > @RCBC<X(> % % % % ( $A 6$@4&& C M /

Streszczenie: ZĹ&#x201A;oĹźone procesy wytwĂłrcze wymagajÄ&#x2026; stosowania zaawansowanych technologii w nowoczesnych stanowiskach zautomatyzowanych i zrobotyzowanych. W technologiach spajania realizowane obecnie stanowiska nie tylko dostarczajÄ&#x2026; prawidĹ&#x201A;owo pospawane produkty, ale oczekuje siÄ&#x2122; od nich rĂłwnieĹź peĹ&#x201A;nej kontroli danych procesowych z moĹźliwoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; ich analizy w dowolnym miejscu poza stanowiskiem. Nie mniej waĹźnym elementem w sytuacji ograniczonej przestrzeni na halach produkcyjnych jest nieskomplikowana zmiana lokalizacji stanowiska. W artykule przedstawiono koncepcjÄ&#x2122; zrobotyzowanego stanowiska spawalniczego o wysokiej wydajnoĹ&#x203A;ci typu Plug and Produce z moĹźliwoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; przekazywania danych procesowych do serwera zewnÄ&#x2122;trznego. )

0 " 4%& E " = "

1. Wprowadzenie PrzemysĹ&#x201A; 4.0 wymusza na producentach zĹ&#x201A;oĹźonych systemĂłw z zakresu automatyzacji i robotyzacji procesĂłw technologicznych projektowania rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; o charakterze mechatronicznym w szerszym niĹź do tej pory rozumieniu. Synergicznie powiÄ&#x2026;zane elementy mechaniczne, elektromechaniczne, elektroniczne, informatyczne oraz sensoryczne muszÄ&#x2026; byÄ&#x2021; budowane na krÄ&#x2122;gosĹ&#x201A;upie, jakim jest w danej aplikacji proces technologiczny. WspĂłĹ&#x201A;czesna produkcja przemysĹ&#x201A;owa dÄ&#x2026;Ĺźy do szeroko pojÄ&#x2122;tej optymalizacji.

Wzrost wymagaĹ&#x201E; dotyczÄ&#x2026;cych obszarĂłw jakoĹ&#x203A;ci, czasu wytworzenia, powtarzalnoĹ&#x203A;ci, norm Ĺ&#x203A;rodowiskowych, BHP, poprawy warunkĂłw pracy na stanowiskach staje siÄ&#x2122; szczegĂłlnie istotne w przemyĹ&#x203A;le motoryzacyjnym, metalowym oraz maszynowym, gdzie technologie spawalnicze naleĹźÄ&#x2026; do podstawowych procesĂłw wytwĂłrczych. WychodzÄ&#x2026;c naprzeciw zapotrzebowaniu wspĂłĹ&#x201A;czesnego rynku firma PPU ZAP-Robotyka z siedzibÄ&#x2026; w Ostrowie Wielkopolskim zaprojektowaĹ&#x201A;a i wykonaĹ&#x201A;a zrobotyzowane stanowisko spawalnicze typu Plug and Produce.

2. Realizacja praktyczna stanowiska Zapotrzebowanie rynku metalowego postawiĹ&#x201A;o przed inĹźynierami zadanie zaprojektowania i wykonania zrobotyzowanego stanowiska do spawania detali metalowych z krĂłtkim czasem trwania procesu przy jednoczesnej liczbie spoin na poziomie kilkudziesiÄ&#x2122;ciu. CaĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; zadania od momentu zaĹ&#x201A;oĹźenie detalu do

$

' 0 > > " % " ) @ E % "% $

&*%*,%,&*- % ,$%&*%,&*. %

! "" # $%&

jego odebrania po procesie nie powinna przekraczaÄ&#x2021; 60 s. Parametry zwiÄ&#x2026;zane z procesem spawalniczym powinny byÄ&#x2021; monitorowane i zapisywane do zewnÄ&#x2122;trznej bazy celem ich archiwizacji w poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeniu z wczeĹ&#x203A;niej naniesionym numerem ewidencyjnym tegoĹź detalu. Zarchiwizowane dane majÄ&#x2026; byÄ&#x2021; dostÄ&#x2122;pne w caĹ&#x201A;ym cyklu Ĺźycia wyprodukowanego elementu. Stanowisko naleĹźy wyposaĹźyÄ&#x2021; w skuteczny system filtracji zanieczyszczeĹ&#x201E; pochodzÄ&#x2026;cych od procesu spawalniczego, w wyniku dziaĹ&#x201A;ania ktĂłrego pobrane zanieczyszczone powietrze powinno zostaÄ&#x2021; wypuszczone na halÄ&#x2122; produkcyjnÄ&#x2026; jako czyste. ObsĹ&#x201A;uga stanowiska jest intuicyjna i w najszerszym moĹźliwym stopniu zwizualizowana za pomocÄ&#x2026; specjalnych ekranĂłw wyĹ&#x203A;wietlanych na panelu operatora. Dodatkowym zaĹ&#x201A;oĹźeniem dla projektu byĹ&#x201A;a jego mobilnoĹ&#x203A;Ä&#x2021;, polegajÄ&#x2026;ca na moĹźliwoĹ&#x203A;ci zmiany lokalizacji stanowiska w ramach danej hali produkcyjnej bez koniecznoĹ&#x203A;ci prowadzenia prac demontaĹźowych. W przypadku koniecznoĹ&#x203A;ci przetransportowania stanowiska na znaczÄ&#x2026; odlegĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; demontaĹź powinien byÄ&#x2021; ograniczony do minimum, a podstawowe elementy decydujÄ&#x2026;ce o procesie nie powinny byÄ&#x2021; demontowane.

Potrzeba zbudowania stanowiska w duchu PrzemysĹ&#x201A;u 4.0 spowodowaĹ&#x201A;a, iĹź zespĂłĹ&#x201A; projektowy przyjÄ&#x2026;Ĺ&#x201A; Ĺ&#x203A;cisĹ&#x201A;e wytyczne w realizowanym projekcie â&#x20AC;&#x201C; ze wzglÄ&#x2122;du na bardzo krĂłtki czas realizacji procesu technologicznego, powiÄ&#x2026;zany z duĹźÄ&#x2026; liczbÄ&#x2026; spoin zaĹ&#x201A;oĹźono zastosowanie dwĂłch robotĂłw przemysĹ&#x201A;owych w powiÄ&#x2026;zaniu z dwoma niezaleĹźnymi urzÄ&#x2026;dzeniami spawalniczymi oraz dwoma niezaleĹźnymi ukĹ&#x201A;adami kosmetyki palnika spawalniczego. Uznano, iĹź czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; wykonawcza stanowiska zostanie podzielona na dwie strefy: strefÄ&#x2122; technologicznÄ&#x2026; oraz strefÄ&#x2122; wyĹ&#x201A;adowczo/zaĹ&#x201A;adowczÄ&#x2026;. Takie rozwiÄ&#x2026;zanie umoĹźliwia prowadzenie procesu technologicznego przy jednoczesnym procesie zakĹ&#x201A;adania i zdejmowania detali. Koncepcja ta wymusza jednak zastosowanie niezwykle szybkiego urzÄ&#x2026;dzenia pozwalajÄ&#x2026;cego na zmianÄ&#x2122; stron. W projekcie zdecydowano siÄ&#x2122; na realizacje tego zadania z wykorzystaniem pozycjonera trzy osiowego o poziomych osiach obrotu. Na osiach roboczych tego pozycjonera zaimplementowano stoĹ&#x201A;y spawalnicze, ktĂłrych dziaĹ&#x201A;anie zostaĹ&#x201A;o w peĹ&#x201A;ni zautomatyzowane. Wszystkie elementy stanowiska zostaĹ&#x201A;y zamontowane na wspĂłlnej podstawie, ktĂłra razem z systemem

37

/ $ $ % ; ! % ! % M+G Ĺ&#x203A;cian bocznych oraz okapĂłw wyciÄ&#x2026;gowych tworzy zamkniÄ&#x2122;tÄ&#x2026; kabinÄ&#x2122; spawalniczÄ&#x2026;. Komunikacja miÄ&#x2122;dzy poszczegĂłlnymi elementami stanowiska odbywa siÄ&#x2122; za pomocÄ&#x2026; protokoĹ&#x201A;u EthernetIP a rozpoznawanie poszczegĂłlnych detali, ktĂłre poddawane sÄ&#x2026; procesowi, zrealizowane zostaĹ&#x201A;o za pomocÄ&#x2026; czujnikĂłw wizyjnych.

# / 4

PrzedsiÄ&#x2122;biorstwo ZAP-Robotyka jako jeden z integratorĂłw firmy FANUC oferuje w swoich rozwiÄ&#x2026;zaniach roboty tej firmy, ktĂłra potrafi sprostaÄ&#x2021; wysokim wymaganiom nowoczesnego przemysĹ&#x201A;u. Stanowisko zostaĹ&#x201A;o wyposaĹźone w dwa manipulatory szeĹ&#x203A;cioosiowe, dwie osie zewnÄ&#x2122;trzne o sterowaniu ciÄ&#x2026;gĹ&#x201A;ym, osadzone na pozycjonerze oraz kontroler bÄ&#x2122;dÄ&#x2026;cy wspĂłlnÄ&#x2026; jednostkÄ&#x2026; sterujÄ&#x2026;cÄ&#x2026;. Wymagania czasowe procesu spowodowaĹ&#x201A;y koniecznoĹ&#x203A;Ä&#x2021; pracy wspĂłĹ&#x201A;bieĹźnej tych wszystkich podzespoĹ&#x201A;Ăłw.

DziÄ&#x2122;ki zastosowaniu rozwiÄ&#x2026;zania Dual Arm moĹźliwe jest sterowanie dwoma robotami i dwiema osiami zewnÄ&#x2122;trznymi z jednego kontrolera. PoĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenie wszystkich osi w jeden system sterowania niesie za sobÄ&#x2026; nie tylko korzyĹ&#x203A;ci ekonomiczne, lecz takĹźe korzyĹ&#x203A;ci wynikajÄ&#x2026;ce z duĹźo lepszej integracji i wspĂłĹ&#x201A;dziaĹ&#x201A;ania w miejscach, gdzie zadania muszÄ&#x2026; byÄ&#x2021; wykonywane rĂłwnolegle. Zaawansowana funkcja Interference Check umoĹźliwia ochronÄ&#x2122; przed kolizjÄ&#x2026; mogÄ&#x2026;cÄ&#x2026; wystÄ&#x2026;piÄ&#x2021; miÄ&#x2122;dzy manipulatorami. Funkcje ruchu skoordynowanego Coordinate Motion pozwalajÄ&#x2026; na Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;czenie ze sobÄ&#x2026; i synchronizacjÄ&#x2122; grup ruchu.

Koordynacja ruchĂłw umoĹźliwia spawanie detalu przez robota przy jednoczesnym ruchu osi zewnÄ&#x2122;trznej. Daje to duĹźÄ&#x2026; elastycznoĹ&#x203A;Ä&#x2021; dostosowania trajektorii robota dla miejsc trudno dostÄ&#x2122;pnych lub wymuszonych procesem technologicznym, np. wymĂłg kĹ&#x201A;adzenia spoin w okreĹ&#x203A;lonej pozycji podczas jednoczesnego ruchu obrotowego detalu. Roboty wyposaĹźone sÄ&#x2026; takĹźe w certyfikowanÄ&#x2026; funkcjÄ&#x2122; bezpieczeĹ&#x201E;stwa speĹ&#x201A;niajÄ&#x2026;cÄ&#x2026; wymogi trzeciego stopnia w kategorii Pld o nazwie DCS (ang. Dual Check Safety). DziÄ&#x2122;ki redundantnym ukĹ&#x201A;adom bezpieczeĹ&#x201E;stwa robot moĹźe sprawdzaÄ&#x2021; swojÄ&#x2026; pozycjÄ&#x2122; i prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; oraz zatrzymaÄ&#x2021; siÄ&#x2122; bezpiecznie, jeĹ&#x203A;li w jego obszarze pracy znajdzie siÄ&#x2122; czĹ&#x201A;owiek. DziÄ&#x2122;ki zastosowaniu tej funkcji w znaczÄ&#x2026;cy sposĂłb zostaĹ&#x201A;a uproszczona caĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; aplikacji pod wzglÄ&#x2122;dem bezpieczeĹ&#x201E;stwa oraz znacznie przyspieszony zostaĹ&#x201A; czas potrzebny na jej uruchomienie. Funkcja bezpieczeĹ&#x201E;stwa DCS umoĹźliwiĹ&#x201A;a teĹź redukcjÄ&#x2122; przestrzeni stanowiska. Finalnie poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenie kontrolera robotĂłw ze sterownikiem nadrzÄ&#x2122;dnym PLC w jeden spĂłjny system rozszerza go i daje wiÄ&#x2122;ksze moĹźliwoĹ&#x203A;ci kontroli i sterowania procesem.

Rys. 1. Dwustanowiskowy pozycjoner typu â&#x20AC;&#x17E;Hâ&#x20AC;? o poziomej osi obrotu Fig. 1. Two-position â&#x20AC;&#x153;Hâ&#x20AC;? positioner with horizontal axis of rotation

â&#x2C6;&#x2019; pozycja montaĹźowa robota oraz dodatkowego osprzÄ&#x2122;tu stanowiska nie jest kolizyjna z operacjÄ&#x2026; zmiany stron pozycjonera.

Przy projektowaniu pozycjonera naleĹźaĹ&#x201A;o teĹź przewidzieÄ&#x2021; rozdzielenie czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci zaĹ&#x201A;adowczej od czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci technologicznej (przesĹ&#x201A;ona staĹ&#x201A;a montowana na osi obrotu), jak rĂłwnieĹź konicznoĹ&#x203A;Ä&#x2021; posadowienie tego pozycjonera w kabinie spawalniczej.

# U )

Praktyczna realizacja zrobotyzowanego procesu spawalniczego wymaga uĹźycia specjalistycznego oprzyrzÄ&#x2026;dowania. Stanowi ono jeden z kluczowych elementĂłw stanowiska ze wzglÄ&#x2122;du na fakt, iĹź dziÄ&#x2122;ki niemu spawany detal zachowuje peĹ&#x201A;nÄ&#x2026; powtarzalnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wymiarowÄ&#x2026;. Konstrukcja kaĹźdego rodzaju oprzyrzÄ&#x2026;dowania powinna zostaÄ&#x2021; wykonana w taki sposĂłb, aby zapewniÄ&#x2021; uzyskanie kluczowych wymiarĂłw zgodnych z dokumentacjÄ&#x2026;, jak rĂłwnieĹź ograniczyÄ&#x2021; do minimum efekt odksztaĹ&#x201A;ceĹ&#x201E; spawalniczych. W zwiÄ&#x2026;zku z podziaĹ&#x201A;em czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci wykonawczej stanowiska na dwie strefy konieczne byĹ&#x201A;o wykonanie dwĂłch niezaleĹźnych oprzyrzÄ&#x2026;dowaĹ&#x201E;. WstÄ&#x2122;pna analiza zadania spawalniczego wykazaĹ&#x201A;a, iĹź obszar zwiÄ&#x2026;zany z oprzyrzÄ&#x2026;dowaniem bÄ&#x2122;dzie zawarty w przestrzeni 1400 mm Ă&#x2014; 400 mm, co staĹ&#x201A;o siÄ&#x2122; rĂłwnieĹź pewnÄ&#x2026; wytycznÄ&#x2026; dla projektu pozycjonera. OprzyrzÄ&#x2026;dowanie zostaĹ&#x201A;o zbudowane z szeregu niezwykle precyzyjnych elementĂłw mechanicznych pokrytych specjalnÄ&#x2026; powĹ&#x201A;okÄ&#x2026; galwanicznÄ&#x2026; zapobiegajÄ&#x2026;cÄ&#x2026; przyklejania siÄ&#x2122; ewentualnych odpryskĂłw spawalniczych i zamontowanych na wspĂłlnej pĹ&#x201A;aszczyĹşnie stanowiÄ&#x2026;cej podstawÄ&#x2122; oprzyrzÄ&#x2026;dowania (rys. 2). W elementach pozycjonujÄ&#x2026;cych detale przewidziano moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; zamontowania specjalistycznych czujnikĂłw odpornych na warunki spawalnicze, ktĂłrych zadaniem jest potwierdzenie prawidĹ&#x201A;owego wĹ&#x201A;oĹźenia podzespoĹ&#x201A;Ăłw spawanego zespoĹ&#x201A;u. Brak potwierdzenia z tych czujnikĂłw pozwala uniknÄ&#x2026;Ä&#x2021; wykonania wadliwej produkcji.

Celem pewnego a jednoczeĹ&#x203A;nie bardzo szybkiego dociĹ&#x203A;niÄ&#x2122;cia elementĂłw w gniazdach oprzyrzÄ&#x2026;dowania zastosowano specjalizowane zaciski pneumatyczne, ktĂłre dodatkowo wyposaĹźono w system czujnikĂłw potwierdzajÄ&#x2026;cych ich otwarcie i zamkniÄ&#x2122;cie. Taka konstrukcja oprzyrzÄ&#x2026;dowania wymusza koniecznoĹ&#x203A;Ä&#x2021; doprowadzenia sprÄ&#x2122;Ĺźonego powietrza do obsĹ&#x201A;ugi zaciskĂłw, systemu zasilania czujnikĂłw oraz ukĹ&#x201A;adu zbierajÄ&#x2026;cego informacje o prawidĹ&#x201A;owo zaĹ&#x201A;oĹźonych detalach i zamkniÄ&#x2122;tych lub otwartych zaciskach. Wszystkie potrzebne media zostaĹ&#x201A;y doprowadzone do oprzyrzÄ&#x2026;dowania za pomocÄ&#x2026; wielofunkcyjnego zĹ&#x201A;Ä&#x2026;cza przemysĹ&#x201A;owego uzyskujÄ&#x2026;c moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wymiany oprzyrzÄ&#x2026;dowania na inne.

2.2. Pozycjoner trzy osiowy o poziomych osiach obrotu Realizacje koncepcji podziaĹ&#x201A;u strefy wykonawczej na dwie strefy przy jednoczesnej potrzebie budowy kompaktowego stanowiska w ujÄ&#x2122;ciu caĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ciowym wymusiĹ&#x201A;a zaprojektowanie dwustanowiskowego pozycjonera typu â&#x20AC;&#x17E;Hâ&#x20AC;? o poziomej osi obrotu (rys. 1.). Pozycjoner taki tworzy maszynÄ&#x2122; o trzech rĂłwnolegĹ&#x201A;ych poziomych osiach obrotowych â&#x20AC;&#x201C; dwĂłch roboczych oraz jednej gĹ&#x201A;Ăłwnej. ObrĂłt osi gĹ&#x201A;Ăłwnej zbudowano w oparciu o moduĹ&#x201A; krzywkowy napÄ&#x2122;dzany silnikiem asynchronicznym.

RozwiÄ&#x2026;zanie to pozwoliĹ&#x201A;o uzyskaÄ&#x2021; zmianÄ&#x2122; stron w czasie okoĹ&#x201A;o 3,6 s przy obciÄ&#x2026;Ĺźeniu 300 kg/stronÄ&#x2122;. Osie robocze zaprojektowano w ukĹ&#x201A;adzie wrzecionowym stosujÄ&#x2026;c po jednej stronie czeĹ&#x203A;Ä&#x2021; napÄ&#x2122;dowÄ&#x2026; opartÄ&#x2026; o wysokiej klasy przekĹ&#x201A;adnie oraz silniki stanowiÄ&#x2026;ce dodatkowe osie systemu robotowego (dodatkowe osie robota) a z drugiej strony system podtrzymujÄ&#x2026;cy umoĹźliwiajÄ&#x2026;cy doporowadzenie w ten obszar sygnaĹ&#x201A;Ăłw sieciowych, elektrycznych, pneumatycznych oraz masy spawalniczej.

PrzyjÄ&#x2122;cie takiego rozwiÄ&#x2026;zania zapewniĹ&#x201A;o: â&#x2C6;&#x2019; lepsze usytuowanie stoĹ&#x201A;u spawalniczego w stosunku do zasiÄ&#x2122;gu manipulatorĂłw, â&#x2C6;&#x2019; brak koniecznoĹ&#x203A;ci zapewnienia dodatkowej przestrzeni na operacjÄ&#x2122; zmiany stron,

38

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

2.4. Kabina spawalnicza Budowa stanowiska typu Plug and Produce wymaga zapewnienia pewnego, a co najwaĹźniejsze sztywnego zamocowania elementĂłw stanowiska do specjalnie skonstruowanej podĹ&#x201A;ogi.

Spodnia czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; podĹ&#x201A;ogi zostaĹ&#x201A;a wyposaĹźona w trasy kablowe, A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

Arkadiusz Adamczak, Marcin Nowicki

Rys. 2. Automatyczne oprzyrządowanie spawalnicze Fig. 2. Automatic welding tools

które umożliwiają połączenie ze sobą poszczególnych elementów stanowiska. Trasy te pozwalają wyeliminować zakłócenia elektromagnetyczne oraz zapewniają ochronę położonych w nich przewodów przed uszkodzeniami mechanicznymi w trakcie transportu stanowiska. Konstrukcja ta umożliwia transport drogowy stanowiska bez dodatkowych specjalnych zezwoleń.

Na podłodze zabudowano modułowy system ścian połączony w górnej części za pomocą modułowego systemu wyciągowego umożliwiającego podłączenie wentylacji (zarówno wewnętrznej jak i zewnętrznej). Kabina została wyposażona w drzwi bezpieczeństwa z elektromagnetycznym zamkiem bezpieczeństwa pozwalającym na wejście do strefy technologicznej uprawnionym pracownikom oraz w okno operacyjne w przedniej części kabiny. Okno to jest wykorzystywane do wkładania elementów do oprzyrządowania oraz do wyciągania pospawanych zespołów przez operatora procesu. W trakcie obrotu pozycjonera bezpieczeństwo operatora przed nieuzasadnionym pozostaniem w części załadowczej jest chronione za pomocą szybkobieżnej kurtyny rolowanej, która zamykana jest z prędkością 0,8 m/s.

Roleta ta zasłania w całości okno operatora w trakcie obrotu pozycjonera. W tylnej części kabiny, poza częścią wykonawczą, usytuowano układy sterowania oraz źródła spawalnicze.

Zaprojektowaną i wykonaną kabinę obrazuje rysunek (rys. 3).

Rys. 3. Kabina spawalnicza stanowiska Plug and Produce Fig. 3. Welding Cabin Plug and Produce

Rys. 4. Ogólny schemat sterowania stanowiska Fig. 4. General scheme the control of station

39

/ $ $ % ; ! % ! % M+G

# [ ) 6

# " q '

CaĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; stanowiska jest zarzÄ&#x2026;dzana przez nadrzÄ&#x2122;dny sterownik PLC (ang. Programmable Logic Controller). Sterownik zostaĹ&#x201A; wyposaĹźony w odpowiedniÄ&#x2026; liczbÄ&#x2122; wejĹ&#x203A;Ä&#x2021; oraz wyjĹ&#x203A;Ä&#x2021; cyfrowych, zarĂłwno znajdujÄ&#x2026;cych siÄ&#x2122; w gĹ&#x201A;Ăłwnej szafie sterujÄ&#x2026;cej, jak i w postaci rozproszonych moduĹ&#x201A;Ăłw. UmoĹźliwiajÄ&#x2026; one zbieranie informacji z czujnikĂłw, urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; peryferyjnych oraz sterowanie elementĂłw wykonawczych, jak siĹ&#x201A;owniki, pozycjoner, kontrolki Ĺ&#x203A;wietlne, brama rolowana itp. Stanowisko wyposaĹźone jest w moduĹ&#x201A;y komunikacyjne umoĹźliwiajÄ&#x2026;ce poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenie systemu w sieÄ&#x2021; wymiany danych przy wykorzystaniu przemysĹ&#x201A;owego protokoĹ&#x201A;u komunikacyjnego EthernetIP. ProtokoĹ&#x201A;y komunikacyjne bazujÄ&#x2026;ce na warstwie fizycznej Ethernet, takie jak EthernetIP, EtherCat, Profinet, ModbusTCP, obecnie sÄ&#x2026; coraz czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ciej stosowane niĹź protokoĹ&#x201A;y niedziaĹ&#x201A;ajÄ&#x2026;ce na tej warstwie, np. Profibus, RS-232C, Modbus itp. Wynika to m.in. z Ĺ&#x201A;atwego oraz taniego Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;czenia i rozpraszania urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; w sieci za pomocÄ&#x2026; przeĹ&#x201A;Ä&#x2026;cznikĂłw (ang. Switch) oraz stosowanie ogĂłlnodostÄ&#x2122;pnych przewodĂłw i wtykĂłw. PoglÄ&#x2026;dowy schemat sterowania stanowiska zostaĹ&#x201A; przedstawiony graficznie na rysunku (rys. 4).

Wysokiej klasy urzÄ&#x2026;dzenia spawalnicze firmy Lincoln Electric sÄ&#x2026; integralnÄ&#x2026; czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ciÄ&#x2026; stanowiska zrobotyzowanego. UrzÄ&#x2026;dzenia spawalnicze majÄ&#x2026; interfejs komunikacyjny z kontrolerem robotĂłw Fanuc. Tym samym robot z dedykowanym oprogramowaniem umoĹźliwia sterowanie parametrami procesu bez koniecznoĹ&#x203A;ci ustawiania czegokolwiek bezpoĹ&#x203A;rednio na urzÄ&#x2026;dzeniu spawalniczym. PeĹ&#x201A;na integracja robota ze ĹşrĂłdĹ&#x201A;em spawalniczym pozwala na wygodÄ&#x2122; i znaczne przyspieszenie procesu programowania. Zastosowanie zaawansowanego procesu spawalniczego RapidArc umoĹźliwia w znaczÄ&#x2026;cym stopniu zwiÄ&#x2122;kszenie prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci procesu spawania a tym samym skrĂłcenie jego czasu. UmoĹźliwione jest to dlatego, Ĺźe RapidArc utrzymuje krĂłtki i stabilny Ĺ&#x201A;uk spawalniczy, a dziÄ&#x2122;ki precyzyjnej kontroli transferu kropli spoiwa dodatkowo ograniczone jest powstawanie odpryskĂłw.

2.9. Akwizycja, zapis i przetwarzanie danych spawalniczych Rejestracja danych spawalniczych w firmach produkcyjnych, gdzie wymagane jest speĹ&#x201A;nienie norm bezpieczeĹ&#x201E;stwa dla produkowanych wyrobĂłw jest procesem czÄ&#x2122;sto niezbÄ&#x2122;dnym. Gromadzone dane sĹ&#x201A;uĹźÄ&#x2026; nie tylko do kontroli i polepszenia jakoĹ&#x203A;ci produktu, ale dokumentowaniu zgodnoĹ&#x203A;ci ze wszystkimi normami i wymaganiami prawnymi dla tego typu detali spawanych. Stanowisko wykorzystuje narzÄ&#x2122;dzie akwizycji danych spawalniczych bezpoĹ&#x203A;rednio z samego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a spawalniczego.

Obecnie na rynku widoczne sÄ&#x2026; trendy w kierunku gromadzenia i przetwarzania danych za pomocÄ&#x2026; dedykowanych usĹ&#x201A;ug znajdujÄ&#x2026;cych siÄ&#x2122; w tak zwanej Chmurze (ang. Cloud). RozwiÄ&#x2026;zania te sÄ&#x2026; w ciÄ&#x2026;gĹ&#x201A;ym rozwoju i na tÄ&#x2122; chwilÄ&#x2122; oferujÄ&#x2026; szereg bardzo zaawansowanych metod gromadzenia i analizy danych. SpeĹ&#x201A;nienie specyficznych wymagaĹ&#x201E; stawianych przez klienta lub proces ogranicza moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; jego peĹ&#x201A;nego wykorzystania dla tego konkretnego przypadku. Dlatego w stosunku do wysokich wymogĂłw stawianych przez klientĂłw, rozwiÄ&#x2026;zania te czÄ&#x2122;sto sÄ&#x2026; niewystarczajÄ&#x2026;ce. Skuteczne przetwarzanie i analizowanie duĹźej iloĹ&#x203A;ci danych, determinuje w niektĂłrych przypadkach potrzebÄ&#x2122; wykonania autorskiej modyfikacji oferowanej koncepcji. Modyfikacja polegajÄ&#x2026;ca na gromadzeniu danych lokalnie na serwerze (rys. 5) stworzonym specjalnie pod potrzeby klienta zamiast usĹ&#x201A;ug oferowanych w Chmurze, pozwala na bardziej elastycznÄ&#x2026; oraz bardziej otwartÄ&#x2026; analizÄ&#x2122; i przetwarzanie danych. Zapisywanie jednak tak duĹźej iloĹ&#x203A;ci danych, rzÄ&#x2122;du miliona rekordĂłw w ciÄ&#x2026;gu miesiÄ&#x2026;ca, oraz wymogi szybkiego ich przetwarzania wymagajÄ&#x2026; zastosowania zaawansowanych i wydajnych mechanizmĂłw bazodanowych. Tym samym na lokalnym serwerze zostaĹ&#x201A;a zaimplementowana baza danych w oparciu o model relacyjny. Obecnie modelowanie danych za pomocÄ&#x2026; relacji jest najpowszechniej stosowanym podejĹ&#x203A;ciem. Taki model danych

2.6. Panel dotykowy HMI Interfejsem dla sterownika PLC jest przemysĹ&#x201A;owy panel dotykowy HMI (ang. Human Machine Interface). Panel dotykowy umoĹźliwia interakcjÄ&#x2122; operatora z maszynÄ&#x2026;. Pozwala na parametryzowanie stanowiska, wyĹ&#x203A;wietlanie komunikatĂłw o ostrzeĹźeniach i bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dach, reset stanĂłw bĹ&#x201A;Ä&#x2122;du, sterowanie rÄ&#x2122;czne.

Stanowisko ma dwa tryby pracy, w ktĂłrym moĹźe pracowaÄ&#x2021;: tryb rÄ&#x2122;czny oraz tryb automatyczny. WybierajÄ&#x2026;c tryb rÄ&#x2122;czny, operator moĹźe rÄ&#x2122;cznie sterowaÄ&#x2021; podzespoĹ&#x201A;ami stanowiska z poziomu panelu dotykowego. WybierajÄ&#x2026;c tryb pracy automatyczny â&#x20AC;&#x201C; kontrolÄ&#x2122; nad podzespoĹ&#x201A;ami i urzÄ&#x2026;dzeniami przejmuje PLC i zarzÄ&#x2026;dzanie caĹ&#x201A;ym procesem jest zgodne z zaprogramowanym algorytmem dziaĹ&#x201A;ania.

2.7. Detekcja detali Metody detekcji detali bazujÄ&#x2026;ce na przemysĹ&#x201A;owych systemach wizyjnych sÄ&#x2026; dziĹ&#x203A; standardem. Producenci urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; stosujÄ&#x2026; w swoich rozwiÄ&#x2026;zaniach bardzo zaawansowane lokalne metody oĹ&#x203A;wietlenia przy rejestracji obrazu, zmniejszajÄ&#x2026;ce w duĹźym stopniu wpĹ&#x201A;yw czynnikĂłw zewnÄ&#x2122;trznym na przebieg procesu.

Zastosowane na stanowisku systemy wizyjne firmy Keyence daĹ&#x201A;y moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; jednoznacznej identyfikacji detalu poprzez odczyt kodu 2D wybitego na jego Ĺ&#x203A;ciance po uprzednim znakowaniu. Odczytany numer jest nastÄ&#x2122;pnie wiÄ&#x2026;zany z danymi spawalniczymi i wraz z nimi zapisywany do bazy danych. UrzÄ&#x2026;dzenia wizyjne obsĹ&#x201A;ugujÄ&#x2026; protokĂłĹ&#x201A; EthernetIP, co daje moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; peĹ&#x201A;nego sterowania i przesyĹ&#x201A;ania danych do sterownika za pomocÄ&#x2026; jednego przewodu komunikacyjnego.

Rys. 5. PrzepĹ&#x201A;yw danych miÄ&#x2122;dzy bazÄ&#x2026; danych a systemem spawalniczym Fig. 5. Data flow between the database and welding system

40

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

Arkadiusz Adamczak, Marcin Nowicki

jest nie tylko bardzo wydajny, ale rĂłwnieĹź umoĹźliwia elastyczne przetwarzanie danych.

Wykorzystanie wysokopoziomowego jÄ&#x2122;zyka zapytaĹ&#x201E; SQL (ang. Structured Query Language) w kaĹźdym z tych aspektĂłw umoĹźliwia Ĺ&#x201A;atwy dostÄ&#x2122;p do zgromadzonych danych spawalniczych. Dodatkowo faktem przemawiajÄ&#x2026;cym za zastosowaniem modelu relacyjnego sÄ&#x2026; specjalistyczne biblioteki umoĹźliwiajÄ&#x2026;ce stworzenie interfejsu komunikacyjnego dla jÄ&#x2122;zyka SQL miÄ&#x2122;dzy sterownikiem PLC (ang. Programmable Logic Controller) a serwerem bazodanowym. Warstwa fizyczna komunikacji miÄ&#x2122;dzy kontrolerem robota wraz z urzÄ&#x2026;dzeniami spawalniczymi a serwerem bazodanowym realizowana jest za pomocÄ&#x2026; sieci Ethernet.

U $ &

Podczas realizacji stanowiska zaĹ&#x201A;oĹźono peĹ&#x201A;nÄ&#x2026; automatyzacjÄ&#x2122; procesu przy jak najwiÄ&#x2122;kszej minimalizacji ingerencji operatora w maszynÄ&#x2122;, z wyĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeniem operacji zaĹ&#x201A;adunkowych i rozĹ&#x201A;adunkowych. Praca operatora na stanowisku ogranicza siÄ&#x2122; do wyciÄ&#x2026;gniÄ&#x2122;cia detali gotowych i zaĹ&#x201A;adunku elementĂłw przygotowanych do procesu spawania. Algorytm dziaĹ&#x201A;ania dla stanowiska w znaczÄ&#x2026;cym stopniu zwalnia jego operatora z wykonywania czynnoĹ&#x203A;ci, ktĂłre mogÄ&#x2026; byÄ&#x2021; zrobione automatycznie. Pierwszym z krokĂłw jest zaĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenie i inicjalizacja stanowiska, polegajÄ&#x2026;ca na resecie bezpieczeĹ&#x201E;stwa, automatycznym ustanowieniu poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeĹ&#x201E; miÄ&#x2122;dzy komunikujÄ&#x2026;cymi siÄ&#x2122; urzÄ&#x2026;dzeniami w sieci, ustawieniu stanowiska w pozycjÄ&#x2122; startowÄ&#x2026; oraz potwierdzenie gotowoĹ&#x203A;ci na panelu dotykowym. Operator z poziomu panelu dotykowego ustawia parametry dla stanowiska. ZaĹ&#x201A;adunek nastÄ&#x2122;puje rÄ&#x2122;cznie. NastÄ&#x2122;pnie po prawidĹ&#x201A;owym zamontowaniu detali w przyrzÄ&#x2026;dach i wciĹ&#x203A;niÄ&#x2122;ciu przez operatora przycisku kontynuacji, nastÄ&#x2122;puje przejÄ&#x2122;cie sterowania przez system. Proces przebiega juĹź wtedy automatycznie.

NastÄ&#x2122;puje zamkniÄ&#x2122;cie przyrzÄ&#x2026;dĂłw, zamkniecie przesĹ&#x201A;ony, obrĂłt pozycjonera, rozpoczÄ&#x2122;cie procesu spawania detali w kabinie po stronie robotĂłw oraz ustawienie siÄ&#x2122; osi zewnÄ&#x2122;trznych po stronie operatora w celu umoĹźliwienia rozĹ&#x201A;adunku detali juĹź pospawanych w poprzednim cyklu. Algorytm w normalnym trybie pracy jest wykonywany cyklicznie ze zdefiniowanym uprzednio czasem cyklu. Sytuacje alarmowe, jakie mogÄ&#x2026; wystÄ&#x2026;piÄ&#x2021; na stanowisku sÄ&#x2026; sygnalizowane przez komunikaty Ĺ&#x203A;wietlne i dĹşwiÄ&#x2122;kowe oraz tekstowe na panelu HMI. Tym samym operator ma peĹ&#x201A;en obraz poprawnego przebiegu procesu.

4. Podsumowanie Zaprezentowana w artykule koncepcja stanowiska typu Plug and Produce z peĹ&#x201A;nym monitorowaniem oraz archiwizowaniem parametrĂłw spawalniczych przy wykorzystaniu nowoczesnych narzÄ&#x2122;dzi informatycznych jest odpowiedziÄ&#x2026; na rosnÄ&#x2026;ce potrzeby krajowego rynku. CaĹ&#x201A;a koncepcja to oryginalny pomysĹ&#x201A; inĹźynierĂłw firmy PPU ZAP-ROBOTYKA, ktĂłrzy przy jego tworzeniu wykorzystali najnowoczeĹ&#x203A;niejsze narzÄ&#x2122;dzia informatyczne z zakresu wspomagania projektowania oraz wieloletnie doĹ&#x203A;wiadczenie w budowie stanowisk zrobotyzowanych.

Bibliografia 1. Cegielski P., Kolasa A., Sarnowski T., Dostosowanie robotĂłw do spawania elementĂłw o obniĹźonej dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ci, â&#x20AC;&#x17E;PrzeglÄ&#x2026;d Spawalnictwaâ&#x20AC;?, R. 83, Nr 6, 2011, 25â&#x20AC;&#x201C;28.

2. Cegielski P., Kolasa A., Sarnowski T., Nowe konstrukcje pozycjonerĂłw jako zewnÄ&#x2122;trznych osi robotĂłw przemysĹ&#x201A;owych, â&#x20AC;&#x17E;PrzeglÄ&#x2026;d Spawalnictwaâ&#x20AC;?, R. 88, Nr 1, 2016, 27â&#x20AC;&#x201C;32.

3. Cegielski P., Kolasa A, GolaĹ&#x201E;ski D., Sarnowski T, Oneksiak A., Innowacyjne rozwiÄ&#x2026;zania konstrukcyjne w przemysĹ&#x201A;owych urzÄ&#x2026;dzeniach do automatyzacji procesĂłw spawalniczych. â&#x20AC;&#x17E;PrzeglÄ&#x2026;d Spawalnictwaâ&#x20AC;?, R. 85, Nr 1, 2013, 30â&#x20AC;&#x201C;35.

4. MateriaĹ&#x201A;y wewnÄ&#x2122;trzne firmy ZAP-Robotyka, Fanuc, Lincoln

R E E 0 = 8 4%&

Abstract: Complex manufacturing processes require the use of advanced technologies in modern robotized and automated stations. In welding technologies, the current stations are not only provided properly welded products but expect them also full control of process data with the ability to analyze them anywhere outside the station. No less important element in the situation of limited space in the production halls is a simple change of location of the station. The article presents the concept of highperformance robotic welding station of Plug and Produce type with the ability to transmit process data to an external server.

Keywords0 8 4%& E > "

41

/ $ $ % ; ! % ! % M+G

-,

2 4

4 -

-,

2 0

8

% " ) @ E % "%

"% ) @ E % "%

>E 8 0 " @

Q 8 = " B YM % < S @ ,&&. % " = ,&*& % / ,&** I = " "M " E % C ,&*- M S " @ " " " M 0 " @ % H M E @ " IG = " "M " E " E %

>E > " R E C I@ Q = C % / *++. % S ,&&* % " = S % / *++. % I I "M E @ % & *6 " @ " " " M 0 " @ % ( E E @ = E = % H M E " I @ I 0 " E %

42

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;¢

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;¢

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 22, Nr 1/2018, 43â&#x20AC;&#x201C;48, DOI: 10.14313/PAR_227/43

J E " " " " " " > Aleksander A. Mikhal, Dmytro V. Meleshchuk 8 K " P > " P # ( ! #

Zygmunt Lech Warsza " 8 > " " M 8> > % ' " ,&, &,@4.6 /

Streszczenie: W artykule opisano oryginalnÄ&#x2026; zasadÄ&#x2122; budowy ukĹ&#x201A;adu pomiarowego automatycznego mostka AC (prÄ&#x2026;du przemiennego) sĹ&#x201A;uĹźÄ&#x2026;cego do bardzo dokĹ&#x201A;adnych pomiarĂłw temperatury za pomocÄ&#x2026; wzorcowego platynowego czujnika SPRT. Wykorzystuje siÄ&#x2122; oryginalnÄ&#x2026; metodÄ&#x2122; pomiaru, ktĂłrÄ&#x2026; nazwano tu hybrydowÄ&#x2026;. Obejmuje ona poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenie metody kompensacyjnej do zgrubnego zrĂłwnowaĹźenia ukĹ&#x201A;adu i metody ilorazowej (ratiometric), ktĂłrÄ&#x2026; wyznacza siÄ&#x2122; stosunek dwu wartoĹ&#x203A;ci sygnaĹ&#x201A;u nierĂłwnowagi, przed i po znanej jego zmianie. DziÄ&#x2122;ki tej metodzie ukĹ&#x201A;ad pomiarowy nie wymaga stosowania obwodu do kompensacji wpĹ&#x201A;ywu reaktancji czujnika SPRT. Zmniejsza siÄ&#x2122; teĹź niezbÄ&#x2122;dna liczba dekad dzielnika indukcyjnego kompensujÄ&#x2026;cego zgrubnie sygnaĹ&#x201A; skĹ&#x201A;adowej rezystancyjnej czujnika. UkĹ&#x201A;ad taki pozwala w prostszy sposĂłb i przy niĹźszych kosztach wykonania uzyskaÄ&#x2021; tÄ&#x2122; samÄ&#x2026; dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;Ä&#x2021;, co najbardziej precyzyjne termometryczne mostki AC o ukĹ&#x201A;adach w peĹ&#x201A;ni zrĂłwnowaĹźonych. )

0 " " " > " E " " @

1. Wprowadzenie Odtwarzanie temperatur wzorcowych miÄ&#x2122;dzynarodowej skali IST 90 [1] w zakresie od punktu potrĂłjnego rĂłwnowagi wodoru (13,8033 K) do punktu krzepniÄ&#x2122;cia srebra (961,78 °C) przeprowadza siÄ&#x2122; przy uĹźyciu wzorcowych platynowych rezystancyjnych czujnikĂłw temperatury o angielskim akronimie SPRT. Skala ITS 90 dopuszcza bĹ&#x201A;Ä&#x2026;d interpolacji 0,00013 K. BĹ&#x201A;Ä&#x2026;d termometrycznych ukĹ&#x201A;adĂłw pomiarowych, odniesiony do koĹ&#x201E;ca zakresu nie powinien wĂłwczas przekroczyÄ&#x2021; (1â&#x20AC;&#x201C;3)â&#x2039;&#x2026;10â&#x20AC;&#x201C;7. Ogromne trudnoĹ&#x203A;ci przy realizacji ukĹ&#x201A;adĂłw pomiarowych DC (prÄ&#x2026;du staĹ&#x201A;ego) spowodowaĹ&#x201A;y rozwĂłj specjalizowanych termometrycznych mostkĂłw AC z indukcyjnymi dzielnikami napiÄ&#x2122;cia IVD (ang. inductive voltage divider) o silnym sprzÄ&#x2122;Ĺźeniu indukcyjnym. ByĹ&#x201A;y to kolejno mostki transformatorowe Hilla, Gibbinga i Furda [2â&#x20AC;&#x201C;4]. Zwykle czujnik SPRT jest w nich jednym z ramion mostka AC. Mostki te speĹ&#x201A;niaĹ&#x201A;y podstawowe wyma-

$

' 0 =" ;% / ) % $

,6%&+%,&*- % &,%**%,&*- %

! "" # $%&

gania, takie jak duĹźa dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; stosunku rezystancji ramion i w peĹ&#x201A;ni skuteczne cztero-zaciskowe doĹ&#x201A;Ä&#x2026;czanie rezystancyjnego czujnika temperatury. Dalsze zwiÄ&#x2122;kszanie dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ci pomiarĂłw uzyskano po zastosowaniu dwu- i wielostopniowych dzielnikĂłw indukcyjnych [5, 6]. Takie ukĹ&#x201A;ady stosuje siÄ&#x2122; obecnie w najdokĹ&#x201A;adniejszych automatycznych mostkach AC wytwarzanych przez firmy ASL (model F18, F900) i Tinsley (model 5840C) na potrzeby termometrii o najwyĹźszej precyzji. GĹ&#x201A;Ăłwnym ich podzespoĹ&#x201A;em jest indukcyjny wielostopniowy dzielnik napiÄ&#x2122;cia IVD (ang. inductive voltage divider). Decyduje on o zĹ&#x201A;oĹźonoĹ&#x203A;ci i caĹ&#x201A;kowitym koszcie budowy przyrzÄ&#x2026;du.

WspĂłĹ&#x201A;czesne tendencje metrologicznego doskonalenia pomiarĂłw temperatury wiÄ&#x2026;ĹźÄ&#x2026; siÄ&#x2122; z opracowywanÄ&#x2026; obecnie nowÄ&#x2026; definicjÄ&#x2026; stopnia Kelvina jako jednostki miary. PeĹ&#x201A;ne wdroĹźenie zmiany definiowania jednostki temperatury do praktyki metrologicznej wymaga udoskonalenia techniki pomiarĂłw temperatury termodynamicznej. BÄ&#x2122;dzie to realizowane rĂłwnolegle do metod pomiaru stosowanych obecnie w odtwarzaniu miÄ&#x2122;dzynarodowej skali temperatury ITS 90. Ujmuje to szereg wnioskĂłw podanych w dokumencie â&#x20AC;&#x17E;Sprawozdanie dla CIPM o konsekwencjach zmiany definicji Kelvina jako jednostki podstawowejâ&#x20AC;? [7] (np. â&#x20AC;&#x17E;W dajÄ&#x2026;cej siÄ&#x2122; przewidzieÄ&#x2021; przyszĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci nadal bÄ&#x2122;dzie stosowany ITS-90 jako najbardziej dokĹ&#x201A;adne i niezawodne przybliĹźenie skali termodynamicznej ... . Podstawowy zakres temperatur wzorcowych â&#x20AC;&#x201C;200 °C do +960 °C nadal bÄ&#x2122;dzie realizowany za pomocÄ&#x2026; wzorcowych platynowych termometrĂłw rezystancyjnych SPRTâ&#x20AC;?).

43

Hybrydowa metoda pomiaru i jej zastosowanie w wysokoprecyzyjnym temperaturowym mostku AC PoniĹźej zostanie opisany oryginalny ukĹ&#x201A;ad mostka AC o Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;czonej kompensacyjno-ilorazowej metodzie pomiaru rezystancji czujnika SPRT, nazwanej tu hybrydowÄ&#x2026;. Metoda ta umoĹźliwia uproszczenie struktury ukĹ&#x201A;adĂłw z dzielnikami indukcyjnymi stosowanych w precyzyjnych termometrycznych mostkach AC. MoĹźe ona przyczyniÄ&#x2021; siÄ&#x2122; do takiego udoskonalenia pomiarĂłw, Ĺźe zmniejszy siÄ&#x2122; koniecznoĹ&#x203A;Ä&#x2021; uĹźycia ukĹ&#x201A;adĂłw kriogenicznych.

W termometrycznych mostkach AC detektorem rĂłwnowagi jest zwykle woltomierz wektorowy VV. ZrĂłwnowaĹźone ukĹ&#x201A;ady pomiarowe tych mostkĂłw sÄ&#x2026; doĹ&#x203A;Ä&#x2021; zĹ&#x201A;oĹźone i ich wykonanie jest kosztowne. GĹ&#x201A;Ăłwnie zaleĹźy to od zĹ&#x201A;oĹźonoĹ&#x203A;ci podstawowego dzielnika indukcyjnego (uzwojenie m1 ma zwykle 6â&#x20AC;&#x201C;8 dekad) i od koniecznoĹ&#x203A;ci stosowania dzielnika dodatkowego (uzwojenie m2) oraz precyzyjnego przesuwnika kwadratury fazy QS.

U >

# @

& ,

&

$+

Metoda hybrydowa jest poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeniem (kombinacjÄ&#x2026;) dwu metod pomiarowych: kompensacyjnej i ilorazowej.

Pomiar realizuje siÄ&#x2122; w dwu cyklach. W pierwszym z nich ukĹ&#x201A;ad mostka rĂłwnowaĹźy siÄ&#x2122; zgrubnie za pomocÄ&#x2026; dzielnika indukcyjnego m1 o ograniczonej rozdzielczoĹ&#x203A;ci. Ocena w tym cyklu sygnaĹ&#x201A;u niezrĂłwnowaĹźenia zawiera tylko kody sterowania przetwornika i wartoĹ&#x203A;ci wyĹźszych cyfr wyniku pomiaru. W drugim cyklu, po zwiÄ&#x2122;kszeniu czuĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci ukĹ&#x201A;adu, mierzy siÄ&#x2122; sygnaĹ&#x201A; nierĂłwnowagi i wyznacza siÄ&#x2122; wartoĹ&#x203A;ci niĹźszych cyfr znaczÄ&#x2026;cych.

W obu cyklach wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; tego sygnaĹ&#x201A;u wyznacza siÄ&#x2122; za pomocÄ&#x2026; przetwornika ilorazu (ratiometrycznego). W tym celu za pomocÄ&#x2026; dzielnika IVD tworzy siÄ&#x2122; okreĹ&#x203A;lonÄ&#x2026; wzorcowÄ&#x2026; zmianÄ&#x2122; (wariacjÄ&#x2122;) sygnaĹ&#x201A;u nierĂłwnowagi mostka w postaci zmiany pozycji dzielnika IVD. WartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; pozostaĹ&#x201A;ych cyfr parametru mierzonego wyznacza siÄ&#x2122; ze stosunku wartoĹ&#x203A;ci sygnaĹ&#x201A;u przed i po powstaniu tej zmiany. Wykorzystanie tej wielkoĹ&#x203A;ci eliminuje wiele bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dĂłw wprowadzanych przez elementy ukĹ&#x201A;adu. Taki sposĂłb prowadzenia pomiarĂłw w mostku, jego twĂłrcy nazywali metodÄ&#x2026; wariacyjnÄ&#x2026; (ang. variational) [8, 9], a nastÄ&#x2122;pnie â&#x20AC;&#x201C; ekstrapolacyjnÄ&#x2026; metodÄ&#x2026; rĂłwnowaĹźenia mostkĂłw termometrycznych [10]. Po raz pierwszy zastosowano jÄ&#x2026; do korekcji bĹ&#x201A;Ä&#x2122;du mostkĂłw transformatorowych przy pomiarze obiektĂłw o duĹźej rezystancji i rĂłwnolegĹ&#x201A;ym pojemnoĹ&#x203A;ciowym schemacie zastÄ&#x2122;pczym [11].

W ukĹ&#x201A;adzie o hybrydowej metodzie pomiaru moĹźna wyeliminowaÄ&#x2021; dzielnik dodatkowy (uzwojenie m2). Znacznie upraszcza siÄ&#x2122; teĹź dzielnik gĹ&#x201A;Ăłwny (uzwojenie m1). Istotnym warunkiem jest dostÄ&#x2122;p do informacji a priori o fazowej charakterystyce wybieranego do stosowania typu czujnika SPRT, w szczegĂłlnoĹ&#x203A;ci o wartoĹ&#x203A;ci tgjT dla maksymalnej czÄ&#x2122;stotliwoĹ&#x203A;ci roboczej.

Na rys. 1 przedstawiono schemat funkcjonalny ukĹ&#x201A;adu stosowanego w mostkach termometrycznych o najwyĹźszej dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ci.

Jest to zrĂłwnowaĹźony ukĹ&#x201A;ad mostka AC z wielodekadowym dzielnikiem indukcyjnym i wzorcowym czujnikiem temperatury SPRT. ImpedancjÄ&#x2122; ZX ÂşZT tego czujnika przy prÄ&#x2026;dzie przemiennym opisuje siÄ&#x2122; kilkoma rĂłwnowaĹźnymi wyraĹźeniami ZT = Re(ZT) + Im(ZT) = RT + jXT = RT(1 + jtgjT)

(1)

gdzie: ZT ÂşZX, tgjT â&#x20AC;&#x201C; stosunek biernej Im(ZT) i czynnej Re(ZT) skĹ&#x201A;adowych impedancji ZT, jT â&#x20AC;&#x201C; kÄ&#x2026;t fazowy.

Rys. 1. Schemat funkcjonalny obwodu pomiarowego Fig. 1. Functional diagram of the measuring circuit

Schematem zastÄ&#x2122;pczym czujnika SPRT dla maĹ&#x201A;ych czÄ&#x2122;stotliwoĹ&#x203A;ci jest dwĂłjnik szeregowy RT, XT o charakterze indukcyjnoĹ&#x203A;ciowym. W ogĂłlnym przypadku obie skĹ&#x201A;adowe impedancji ZT zaleĹźÄ&#x2026; od czÄ&#x2122;stotliwoĹ&#x203A;ci. Wraz ze wzrostem czÄ&#x2122;stotliwoĹ&#x203A;ci skĹ&#x201A;adowa bierna Im(ZT) moĹźe zmieniÄ&#x2021; siÄ&#x2122; z indukcyjnej na pojemnoĹ&#x203A;ciowÄ&#x2026;.

Pomiary temperatury czujnikiem SPRT w ukĹ&#x201A;adach prÄ&#x2026;du przemiennego AC wymagajÄ&#x2026; mierzenia wartoĹ&#x203A;ci jego rezystancji RT jako parametru informujÄ&#x2026;cego o temperaturze. Aby uzyskaÄ&#x2021; wysokÄ&#x2026; czuĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; wymaganÄ&#x2026; w precyzyjnych pomiarach temperatury, uzwojenie m1 dzielnika indukcyjnego powinno mieÄ&#x2021; 7â&#x20AC;&#x201C;8 dekad. Ponadto do wyeliminowania wpĹ&#x201A;ywu skĹ&#x201A;adowej biernej Im(ZT) konieczny jest dodatkowy obwĂłd kompensacyjny.

W jednych z najdokĹ&#x201A;adniejszych na rynku Ĺ&#x203A;wiatowym mostkach AC o symbolach F18 i F900 rozwiÄ&#x2026;zano to przez doĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenie do punktu A dodatkowego ĹşrĂłdĹ&#x201A;a prÄ&#x2026;du IVar,Q o ang. nazwie Quadrature Servo Range. Jego faza i faza generatora G róşniÄ&#x2026; siÄ&#x2122; dokĹ&#x201A;adnie o 90°, a bĹ&#x201A;Ä&#x2026;d nie moĹźe przekroczyÄ&#x2021; jednostki najniĹźszego rzÄ&#x2122;du (LSB) dzielnika IVD. ĹšrĂłdĹ&#x201A;o IVar,Q jest doĹ&#x203A;Ä&#x2021; zĹ&#x201A;oĹźonym moduĹ&#x201A;em.

Omawianie wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci metody hybrydowej bÄ&#x2122;dzie Ĺ&#x201A;atwiejsze po przedstawieniu drugiego ukĹ&#x201A;adu sĹ&#x201A;uĹźÄ&#x2026;cego do kompensacji skĹ&#x201A;adowej kwadraturowej impedancji czujnika SPRT. UkĹ&#x201A;ad ten stosuje siÄ&#x2122; w uniwersalnych mostkach RLC. Zawiera on wielodekadowy dzielnik napiÄ&#x2122;cia o regulowanej liczbie zwojĂłw m2 i przesuwnik QS fazy napiÄ&#x2122;cia o kÄ&#x2026;t p/2 (wspĂłĹ&#x201A;czynnik przetwarzania â&#x20AC;&#x201C; j). DoĹ&#x201A;Ä&#x2026;cza siÄ&#x2122; go szeregowo w obwodzie porĂłwnania napiÄ&#x2122;Ä&#x2021; miÄ&#x2122;dzy punktami B i C.

44

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

3 7 (

Do wykrywania i pomiaru sygnaĹ&#x201A;u nierĂłwnowagi ukĹ&#x201A;adu mostka AC stosowany jest woltomierz fazoczuĹ&#x201A;y VV (rys. 1), nazywany teĹź wektorowym. Jego wskazanie zaleĹźy od prostopadĹ&#x201A;ych skĹ&#x201A;adowych napiÄ&#x2122;cia UD. JeĹ&#x203A;li fazy napiÄ&#x2122;Ä&#x2021; generatora zasilajÄ&#x2026;cego i woltomierza VV sÄ&#x2026; jednakowe, to skĹ&#x201A;adowÄ&#x2026; US (sin) nazywa siÄ&#x2122; wspĂłĹ&#x201A;fazowÄ&#x2026;, zaĹ&#x203A; UQ (cos) â&#x20AC;&#x201C; kwadraturowÄ&#x2026;. â&#x17D;&#x203A; Z â&#x17D;&#x17E; U D = U S + jUQ = IRS â&#x17D;&#x153; p + jq â&#x2C6;&#x2019; T â&#x17D;&#x; â&#x17D;&#x153; RS â&#x17D;&#x;â&#x17D; â&#x17D;?

(2)

gdzie: p = m1/m0 â&#x20AC;&#x201C; parametr poczÄ&#x2026;tkowy regulowany wg skĹ&#x201A;adowej wspĂłĹ&#x201A;fazowej sygnaĹ&#x201A;u, q = m2/m0 â&#x20AC;&#x201C; parametr poczÄ&#x2026;tkowy regulowany wg skĹ&#x201A;adowej kwadraturowej, I â&#x20AC;&#x201C; prÄ&#x2026;d roboczy.

W stanie poczÄ&#x2026;tkowym, tj. przy niezrĂłwnowaĹźeniu ukĹ&#x201A;adu mostka, parametry regulowane mostka sÄ&#x2026; sumÄ&#x2026; dwu skĹ&#x201A;adnikĂłw, odpowiadajÄ&#x2026;cych rĂłwnowadze i odchyleniu od niej, tj. p = pB + pH,

q = qB + qH

(3)

Przy rĂłwnowadze ukĹ&#x201A;adu UD = 0 i z (2) wynika pB + jqB = RT/RS + jXT/RS A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

(4) N R 1 /201 8

Aleksander A. Mikhal, Dmytro V. Meleshchuk, Zygmunt Lech Warsza Przy niezrównoważeniu na wyjściu układu występuje sygnał H, zwany też sygnałem nierównowagi. Jest on wielkością wektorową. Otrzymuje się H = pH – jqH,

(5a)

pH = p −

RT RS

(5b)

qH = q −

XT RS

(5c)

Równania (11a, b) umożliwiają wyrażenie współczynnika stopnia nierównowagi mostka odniesionej do dokonanej znanej zmiany sygnału (czyli jego wariacji). Odchylenie w postaci zmiany liczby zwojów dzielnika indukcyjnego ma bardzo dużą dokładność, tj. błąd poniżej 0,1 ppm. Dokładność obliczeń wg (11a, b) zależy też od LSB woltomierza wektorowego. Rozdzielczość, czyli LSB tego woltomierza może być mniejsza niż LSB dzielnika indukcyjnego. Wówczas proces określania parametrów sygnału nierównowagi będzie iteracyjny.

5. Wartości regulowanych parametrów układu wyznacza się dla równowagi w pierwszym cyklu, tj.

W stanie równowagi, składowe mierzonej impedancji ZT określone są przez składowe parametrów regulowanych (pB, qB) i odpowiednio wynoszą

,

(12a)

(12b) RT = (p – pH)RS = pBRS

(6a)

XT = (q – qH)RS = qBRS

(6b)

Równoważenie mostka przebiega metodą wariacyjną. W tym celu najpierw wyznacza się składowe sygnału H1. Obejmuje to następujące operacje 1. Mierzy się wypadkowy sygnał nierównowagi UD1 o składowej współfazowej US1 i kwadraturowej UQ1 UD1 = US1 + jUQ1 = IRSH1

Zaleta metody (równania 12a, b) pojawia się, gdy znamy a priori informację o charakterze impedancji SPRT. Jej składowa reaktywna XT (1) jest zwykle o kilka rzędów wielkości mniejsza od składowej czynnej RT. Wówczas postać cyfrowa qB będzie zawierała zera na wyższych miejscach cyfrowych, np. qB = 0,000358. Tych zer można nie zapisywać w rejestrach dla dzielnika m2. Minimalną liczbę stopni dyskretyzacji dzielnika ogranicza się więc liczbą naturalną NIVD jako następujące warunki

(7) 10

2. Dokonuje się określonej zmiany (wariacji) parametru regulowanego p przez określoną zmianę liczby zwojów uzwojenia m1 dzielnika IVD. Wartość tego odchylenia wynosi pV1 = mMSB/m0.

Zwykle równa się ona jednostce dyskretności dekady.

3. Mierzy się składowe US2 i UQ2 otrzymanego po tej zmianie sygnału nierównowagi UD2 UD2 = US2 + jUQ2 = IRS(H1 + pV1)

(8)

Po uwzgl zależności (7) i (8) uzyskuje się wyrażenie dla sygnału nierównowagi H1 H 1 = pV 1

U D1 U D 2 − U D1

(

≡ pV 1 A1 + jB1

)

(

(

)

U S 1 U S 1 − U S 2 + UQ 1 UQ 1 − UQ 2

B1 =

(U

S1

−US 2

) + (U 2

Q1

− UQ 2

)

2

U S 1UQ 2 − UQ 1U S 2

(U

S1

−US 2

) + (U 2

Q1

− UQ 2

)

2

)

2

− N IVD

< tgϕ – dla struktury dekadowej dzielnika

(13a)

< tgϕ – dla binarnej struktury dzielnika

(13b)

Z błędem poniżej LSB dzielnika indukcyjnego otrzymuje się B1 | 0 i qB1| 0. Przy spełnionych warunkach (13a, b) w układzie z rys. 1 można wyeliminować dzielnik sygnału kwadraturowego m2 oraz przesuwnik fazowy QS. Wartości podstawowego parametru pB1 są zapisywane w rejestrach dzielnika indukcyjnego i wyższych rejestrach przyrządu.

W omówionym powyżej pierwszym cyklu pomiaru mostek został zrównoważony do poziomu 0,5 LSB dzielnika indukcyjnego. Drugi cyklu pomiaru obejmuje:

(9)

H1 jest wielkością wektorow o składowej rzeczywistej A1 i urojonej jB1. Na podstawie (2) i po odpowiednim zastąpieniu indeksów w (9) otrzymuje się następujące postacie współczynników A1 i B1 A1 =

− N IVD

6. Wzmocnienie sygnału nierównowagi mostka i dokononanie wariacji sygnału, czyli znanej kontrolnej zmiany jego wartości za pomocą liczby zwojów młodszej dekady pV2 = mLSB/m0 oraz powtórzenie operacji 1–5.

7. Podobnie jak poprzednio, z równań (8–12) wyznacza się wartość sygnału nierównowagi H2 i jego parametrów pB2 i qB2 dla równowagi, tj.

(10a) H 2 = pB −

RT RS

−j

XT RS

(

= pV 2 A2 + jB2

)

(14a)

pE 2 = A2 pV 2

(14b)

qE 2 = B2 pV 2

(14c)

(10b)

4. Na podstawie (5) i (9) wyznacza się składowe dla odchyleń regulowanych parametrów

p H 1 = A1 pV 1

(11a)

q H 1 = B1 pV 1

(11b)

Dokładność składowych sygnału nierównowagi H i składowych dla równowagi w drugim cyklu zależy od wielkości jego wariacji i od rozdzielczości woltomierza wektorowego. Podobnie jak w pierwszym cyklu, jest ona również duża. Dlatego nie trzeba równoważyć układu pomiarowego z dokładnością do najmłodszego stopnia dzielnika m1. Upraszcza to jego konstrukcję. Obliczone,

45

Hybrydowa metoda pomiaru i jej zastosowanie w wysokoprecyzyjnym temperaturowym mostku AC rĂłwnoĹ&#x203A;ci (13b) wynika, Ĺźe minimalna liczba bitĂłw (dla zadanej wartoĹ&#x203A;ci maksymalnej tgj) powinna wynosiÄ&#x2021; N = 12. Potwierdzono to doĹ&#x203A;wiadczalnie dla ukĹ&#x201A;adu mostka z 12-bitowym dzielnikiem napiÄ&#x2122;cia i z woltomierzem wektorowym o 12-bitowym przetworniku ADC. Schemat blokowy tego ukĹ&#x201A;adu o hybrydowej metodzie pomiaru przedstawiono na rys. 2.

odpowiadajÄ&#x2026;ce rĂłwnowadze wartoĹ&#x203A;ci parametrĂłw pB2 i qB2, rejestruje siÄ&#x2122; tylko w mĹ&#x201A;odszych rejestrach przyrzÄ&#x2026;du.

Wynik pomiaru zawiera cyfry wynikajÄ&#x2026;ce z zsumowania wskazaĹ&#x201E; rejestrĂłw dla obu cyklĂłw.

8. Ostatecznie wynik pomiaru rezystancji RT moĹźna przedstawiÄ&#x2021; w postaci:

(

)

(

RT = RS â&#x2039;&#x2026; p â&#x2C6;&#x2019; pH 1 â&#x2C6;&#x2019; pH 2 = RS â&#x2039;&#x2026; p â&#x2C6;&#x2019; A1pV 1 â&#x2C6;&#x2019; A2 pV 2

(

)

(

XT = RS â&#x2039;&#x2026; q â&#x2C6;&#x2019; q H 2 = RS â&#x2039;&#x2026; q â&#x2C6;&#x2019; B2 pV 2

)

)

W pierwszym cyklu sygnaĹ&#x201A; nierĂłwnowagi (jako kod 12-bitowy) jest zapisywany w rejestrach dzielnika indukcyjnego i jako wyĹźsze cyfry â&#x20AC;&#x201C; w rejestrach ukĹ&#x201A;adu obliczeniowego przyrzÄ&#x2026;du. W dru-

(15a)

(15b)

SkĹ&#x201A;adowa bierna XT impedancji czujnika SPRT nie zawiera informacji o mierzonej temperaturze. Iloraz XT/RT moĹźna natomiast wykorzystaÄ&#x2021; do kontroli, czy kwadraturowa skĹ&#x201A;adowa impedancji ZT nie przekracza poziomu dopuszczalnego.

Przy stosowaniu hybrydowej metody pomiaru rozdzielczoĹ&#x203A;Ä&#x2021; dzielnika napiÄ&#x2122;cia mostka moĹźe byÄ&#x2021; mniejsza od wymaganej rozdzielczoĹ&#x203A;ci wyniku pomiaru. OkreĹ&#x203A;la jÄ&#x2026; tylko liczba najwyĹźszych cyfr tego wyniku. UzupeĹ&#x201A;niajÄ&#x2026; jÄ&#x2026; wartoĹ&#x203A;ci mĹ&#x201A;odszych cyfr wyznaczanych w drugim cyklu procesu pomiarowego. DziÄ&#x2122;ki temu upraszcza siÄ&#x2122; konstrukcja mostka. ZmniejszajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; jego wymiary i masa, a wiÄ&#x2122;c i koszty wykonania przyrzÄ&#x2026;du.

DuĹźa dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; i liniowoĹ&#x203A;Ä&#x2021; przetwarzania sygnaĹ&#x201A;u metodÄ&#x2026; hybrydowÄ&#x2026; wynika z kilku czynnikĂłw. a) Stosowania w ukĹ&#x201A;adzie wielkoĹ&#x203A;ci opisanych wektorami ortonormalnymi i przetwarzania ilorazu sygnaĹ&#x201A;u nierĂłwnowagi, przed i po jego znanej zmianie, czyli metody wariacyjnej.

UniezaleĹźnia to wynik pomiaru (staje siÄ&#x2122; inwariantny) od zmian prÄ&#x2026;du roboczego i zmian fazy w filtrach generatora, wzmacniacza i innych moduĹ&#x201A;Ăłw. b)Tworzenie skoku sygnaĹ&#x201A;u wyjĹ&#x203A;ciowego (jego wariacji) poprzez zmianÄ&#x2122; liczby zwojĂłw okreĹ&#x203A;lonej dekady dzielnika indukcyjnego, a wiÄ&#x2122;c w nawiÄ&#x2026;zaniu do LSB tego dzielnika. NiepewnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; stosunku sygnaĹ&#x201A;u nierĂłwnowagi ukĹ&#x201A;adu i tej jego wariacji zaleĹźy od dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ci stosunku zwojĂłw (przekĹ&#x201A;adni dzielnika) i moĹźe byÄ&#x2021; niĹźsza od 0,1 ppm. c) Transformatorowy dzielnik napiÄ&#x2122;cia o Ĺ&#x203A;cisĹ&#x201A;ym sprzÄ&#x2122;Ĺźeniu indukcyjnym ma potencjalnie wysokÄ&#x2026; liniowoĹ&#x203A;Ä&#x2021;. Na przykĹ&#x201A;ad dla rozdzielczoĹ&#x203A;ci dzielnika o 4 dekadach, liniowoĹ&#x203A;Ä&#x2021; bywa lepsza niĹź 0,1 ppm (7 dekad).

NaleĹźy teĹź podaÄ&#x2021; dwie wady metody hybrydowej: â&#x2C6;&#x2019; Po pierwsze, wariacyjny sposĂłb rĂłwnowaĹźenia ukĹ&#x201A;adu wymaga dwĂłch pomiarĂłw: przed i po okreĹ&#x203A;lonej zmianie sygnaĹ&#x201A;u nierĂłwnowagi. Wskutek tego RMS szumu o rozkĹ&#x201A;adzie Gaussa, wzroĹ&#x203A;nie â&#x2C6;&#x161;2 razy. PrzeciwdziaĹ&#x201A;a siÄ&#x2122; temu zwiÄ&#x2122;kszajÄ&#x2026;c prĂłbkÄ&#x2122; pobieranÄ&#x2026; do uĹ&#x203A;rednienia. â&#x2C6;&#x2019; Po drugie, przy niepeĹ&#x201A;nym zrĂłwnowaĹźeniu ukĹ&#x201A;adu, wpĹ&#x201A;ywy rezystancji przewodĂłw doprowadzajÄ&#x2026;cych nie ulegajÄ&#x2026; caĹ&#x201A;kowitej eliminacji.

Rys. 2. UkĹ&#x201A;ad mostka AC o hybrydowej, tj. poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czonej kompensacyjnoilorazowej metodzie pomiaru i wyniku o 24-bitowej liczbie cyfr binarnych: G â&#x20AC;&#x201C; generator sinusoidalny AC, CIT â&#x20AC;&#x201C; transformator dopasowujÄ&#x2026;cy, A â&#x20AC;&#x201C; wzmacniacz, SD â&#x20AC;&#x201C; podwĂłjny (Re/Im) detektor synchroniczny, Int â&#x20AC;&#x201C; podwĂłjny (Re/Im) integrator, ADC â&#x20AC;&#x201C; przetwornik analogowo-cyfrowy, SW â&#x20AC;&#x201C; przeĹ&#x201A;Ä&#x2026;cznik, T â&#x20AC;&#x201C; generator impulsĂłw czasu Fig. 2. Circuit of AC bridge with combined balanced-rational method of measurement that provides a 24-bit effective number of binary digits: G â&#x20AC;&#x201C; AC sinusoidal generator, TIC â&#x20AC;&#x201C; matching transformer, A â&#x20AC;&#x201C; amplifier, SD â&#x20AC;&#x201C; two-channel (Re/Im) synchronous detector, Int â&#x20AC;&#x201C; two-channel (Re/Im) integrator, ADC â&#x20AC;&#x201C; analogue-digital converter, SW â&#x20AC;&#x201C; switch, T â&#x20AC;&#x201C; timing unit

gim cyklu sygnaĹ&#x201A; nierĂłwnowagi zapisuje siÄ&#x2122; tylko w rejestrach tego ukĹ&#x201A;adu jako bity niĹźszych rzÄ&#x2122;dĂłw. Obliczenia niezbÄ&#x2122;dne dla ukĹ&#x201A;adu pomiarowego mostka wykonuje mikroprocesor ze wspĂłlnym rejestrem danych o 24-bitowym formacie numerycznym i wynik pomiaru prezentuje na wyĹ&#x203A;wietlaczu. Omawiany przyrzÄ&#x2026;d odpowiada mostkowi zrĂłwnowaĹźonemu AC z dzielnikiem indukcyjnym o siedmiu dekadach.

PodzespĂłĹ&#x201A; z indukcyjnym dzielnikiem napiÄ&#x2122;cia o rozdzielczoĹ&#x203A;ci 12 bitĂłw (transformator m1) do zgrubnego rĂłwnowaĹźenia mostka pokazano na rys. 3. UkĹ&#x201A;ad ten zawiera dwa dwustopniowe transformatory T1 i T2. Wagowe wspĂłĹ&#x201A;czynniki przetwarzania uzwojeĹ&#x201E; w1 i w2 majÄ&#x2026; stosunek 1/8. KaĹźde z uzwojeĹ&#x201E; m11 â&#x20AC;&#x201C; m14 przeĹ&#x201A;Ä&#x2026;czane jest przez system elektronicznych kluczy i realizuje dzielnik napiÄ&#x2122;cia o 3-bitowej rozdzielczoĹ&#x203A;ci.

Transformator T2 ma wspĂłĹ&#x201A;czynnik transformacji 1/64.

Dlatego na wyjĹ&#x203A;ciu uzwojenia m14 generuje siÄ&#x2122; 12-bitowe napiÄ&#x2122;cie caĹ&#x201A;kowite. Transformatory T1 i T2 sÄ&#x2026; wykonane na rdzeniach toroidalnych w wymiarze 40 mm Ă&#x2014; 25 mm Ă&#x2014; 11 mm. MateriaĹ&#x201A;em rdzeni jest amorficzny stop Ĺźelazo-kobalt o przenikalnoĹ&#x203A;ci magnetycznej m = (1â&#x20AC;&#x201C;2)â&#x2039;&#x2026;105. Dla czÄ&#x2122;stotliwoĹ&#x203A;ci roboczej 125 Hz nieliniowoĹ&#x203A;Ä&#x2021; tego dzielnika jest poniĹźej 0,2 ppm.

[ (

MoĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; osiÄ&#x2026;gniÄ&#x2122;cia przewidywanych wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci metrologicznych ukĹ&#x201A;adu o hybrydowej metodzie pomiaru, zweryfikowano pozytywnie przez badania kilku wariantĂłw precyzyjnych termometrycznych mostkĂłw AC. Opracowano teĹź niektĂłre specyficzne zagadnienia ich konstrukcji i kontroli, w tym ochronÄ&#x2122; ekwipotencjalnÄ&#x2026; ukĹ&#x201A;adu [12, 13], sprawdzanie zera [14, 16] i pomiar liniowoĹ&#x203A;ci [15].

Z badaĹ&#x201E; doĹ&#x203A;wiadczalnych wynikĹ&#x201A;o, Ĺźe czujniki SPRT o nominalnej impedancji 0,6 Ί do 25 Ί, przy czÄ&#x2122;stotliwoĹ&#x203A;ci 100 Hz, majÄ&#x2026; tangens kÄ&#x2026;ta fazowego nie wiÄ&#x2122;kszy niĹź 0,0003.

Najkorzystniejsze wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci mostka o hybrydowej metodzie dziaĹ&#x201A;ania uzyskano stosujÄ&#x2026;c indukcyjny dzielnik binarny. Z nie-

46

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

Rys. 3. Binarny 12-bitowy dzielnik napiÄ&#x2122;cia indukcyjnego Fig. 3. Binary 12-bit inductive voltage divider IVD

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

Aleksander A. Mikhal, Dmytro V. Meleshchuk, Zygmunt Lech Warsza

X &

Rys. 4. Automatyczny mostek AC typu CA 300 [12] Fig. 4. Automatic bridge AC type CA 300 [12]

MetodÄ&#x2122; hybrydowÄ&#x2026; zastosowano w zbudowanym w Instytucie Elektrodynamiki UkraiĹ&#x201E;skiej Akademii Nauk w Kijowie automatycznym mostku CA300 (rys. 4) z 12-bitowym przetwornikiem ADC. W mostku tym uzyskano nastÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;ce podstawowe parametry techniczne; najmĹ&#x201A;odsza jednostka LSD odniesiona do peĹ&#x201A;nego zakresu â&#x20AC;&#x201C; 0,06 ppm, liniowoĹ&#x203A;Ä&#x2021; â&#x20AC;&#x201C; 0,2 ppm, RMS szumu w paĹ&#x203A;mie 0,05 Hz â&#x20AC;&#x201C; 0,08 ppm. SÄ&#x2026; to takie same parametry jak dla modelu F18 firmy ASL. Wymiary mostka nie przekraczajÄ&#x2026; 290 mm Ă&#x2014; 120 mm Ă&#x2014; 320 mm, a masa jest poniĹźej 6 kg. Poziom RMS wykazuje rezerwÄ&#x2122; dla dopuszczalnej wartoĹ&#x203A;ci stosunku sygnaĹ&#x201A;/zakĹ&#x201A;Ăłcenie i istnieje moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; zwiÄ&#x2122;kszenia rozdzielczoĹ&#x203A;ci o kolejnÄ&#x2026; dekadÄ&#x2122;. Przy uĹźyciu 16-bitowego przetwornika ADC oraz podobnej masie i tych samych wymiarach przyrzÄ&#x2026;du, moĹźna otrzymaÄ&#x2021; 8-dekadowy mostek AC.

6. Wnioski OmĂłwiona hybrydowa metoda pomiaru skĹ&#x201A;adowej rezystancyjnej impedancji wykorzystuje Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;cznie dzielnik indukcyjny IVD do zgrubnego zrĂłwnowaĹźenia ukĹ&#x201A;adu mostka AC oraz pomiar ilorazu sygnaĹ&#x201A;u nierĂłwnowagi i okreĹ&#x203A;lonej jego wariacji. Jest to procedura znacznie prostsza niĹź peĹ&#x201A;ne rĂłwnowaĹźenie ukĹ&#x201A;adu za pomocÄ&#x2026; wielodekadowego dzielnika indukcyjnego. Metoda ta jest rozwiniÄ&#x2122;ciem przy prÄ&#x2026;dzie AC idei ukĹ&#x201A;adu kompensacyjno-odchyĹ&#x201A;owego DC stosowanego przez Z. WarszÄ&#x2122; w teslomierzach hallotronowych i mostkach temperaturowych w latach 1960-70.

DostÄ&#x2122;pna a priori informacja o bardzo maĹ&#x201A;ej wartoĹ&#x203A;ci tangensa kÄ&#x2026;ta fazowego impedancji wzorcowego platynowego czujnika temperatury SPRT pozwala uproĹ&#x203A;ciÄ&#x2021; ukĹ&#x201A;ad pomiarowy termometrycznego mostka AC. Mostek ten przeksztaĹ&#x201A;ca siÄ&#x2122; z przetwornika wektorowego na skalarny i jego rĂłwnowaĹźenie ogranicza siÄ&#x2122; jedynie do regulacji dla pomiaru rezystancyjnej skĹ&#x201A;adowej impedancji czujnika SPRT jako parametru informacyjnego.

Metoda hybrydowa umoĹźliwia teĹź zastosowanie w pomiarowych transformatorowych mostkach AC dzielnika indukcyjnego o mniejszej rozdzielczoĹ&#x203A;ci niĹź jest wymagana dla wyniku pomiaru. TÄ&#x2122; wysokÄ&#x2026; rozdzielczoĹ&#x203A;Ä&#x2021; i dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; uzyskuje siÄ&#x2122; przez dokĹ&#x201A;adny pomiar ilorazu sygnaĹ&#x201A;u nierĂłwnowagi mostka i okreĹ&#x203A;lonej jego zmiany. SposĂłb ten zostaĹ&#x201A; przez jej twĂłrcĂłw nazwany metodÄ&#x2026; wariometrycznÄ&#x2026; rĂłwnowaĹźenia mostka [8, 9]. Zapewnia ona inwariantnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wyniku na zmiany fazy w generatorze, wzmacniaczu i innych moduĹ&#x201A;ach mostka.

Zastosowanie metody hybrydowej do pomiaru impedancji w precyzyjnych mostkach termometrycznych znaczÄ&#x2026;co zmniejsza koszty ich wykonania. Uzyskano takÄ&#x2026; samÄ&#x2026; liniowoĹ&#x203A;Ä&#x2021; i czuĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; jak zrĂłwnowaĹźonych mostkĂłw AC o 7â&#x20AC;&#x201C;8 dekadowych dzielnikach indukcyjnych.

MetodÄ&#x2122; hybrydowÄ&#x2026; moĹźna teĹź bÄ&#x2122;dzie wykorzystaÄ&#x2021; w mostkach kriogenicznych, ale trzeba eksperymentalne zbadaÄ&#x2021; jej moĹźliwoĹ&#x203A;ci i ograniczenia oraz dokonaÄ&#x2021; niezbÄ&#x2122;dnych udoskonaleĹ&#x201E;.

1. Preston-Thomas H., The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90), â&#x20AC;&#x153;Metrologiaâ&#x20AC;?, Vol. 27, No. 107, 1990, 3â&#x20AC;&#x201C;10.

2. Hill J.J., Miller A.P., An a.c. double bridge with inductively coupled ratio arms for precision platinum-resistance thermometry. Proceedings of the IEE, Vol. 110, No. 2, 1963, 453â&#x20AC;&#x201C;458, DOI: 10.1049/piee.1963.0068.

3. Gibbings D.L., An alternating current analogue of the Kelvin double bridge, Proceedings of the IEE â&#x20AC;&#x201C; Part C: Monographs, Vol. 109, No. 16, 1962, 307â&#x20AC;&#x201C;316, DOI: 10.1049/pi-c.1962.0045.

4. Foord T.R., Langlands R.C., Binnie A.J., Transformer-ratio bridge network with precise lead compensation, Proceedings of the IEE, Vol. 110, No. 9, 1963, 1693â&#x20AC;&#x201C;1700, DOI: 10.1049/piee.1963.0240.

5. Cutkosky R., An automatic resistance thermometer bridge. â&#x20AC;&#x153;IEEE Transactions on Instrumentation and Measurementâ&#x20AC;?, Vol. 29, No. 4, 1980, 330â&#x20AC;&#x201C;333, DOI: 10.1109/TIM.1980.4314946.

6. Knight R.B., Precision bridge for resistance thermometry using a single inductive current divider. Euromeas-77; Europe conference on precise electrical measurement, London, 1977, 132â&#x20AC;&#x201C;134.

7. Report to the CIPM on the implications of changing the definition of the base unit kelvin. Prepared by the task group TG-SI of the CCT. J. Fisher (chair), S. Gerasimov, K.D. Hill, at al.

02 May 2007, [www.temperatures.ru/pdf/Kelvin_CIPM.pdf].

8. Grinevich F.B., Surdu M.N., High-precision variational measuring systems of alternating current, Kiev: Nauk. Dumka, 192 p. (1989), (Rus.) 9. Grinevich F.B., Surdu M.N., Mikhal A.A. et al., Precision bridge of alternating current for operation in 125â&#x20AC;&#x201C;925 Hz frequency range. Tekhnichna Elektrodynamika. Thematic issue â&#x20AC;&#x153;Problems of modern electrotechnicsâ&#x20AC;?, 3, 76â&#x20AC;&#x201C;78 (2000) (Rus.) 10. Surdu M., Lameko A., Surdu D., Kursin S., An automatic bridge for the comparison of the impedance standards, â&#x20AC;&#x153;Measurementâ&#x20AC;?, Vol. 46, No. 9, 2013, 3701â&#x20AC;&#x201C;3707, DOI: 10.1016/j.measurement.2013.05.029.

11. Surdu M., Lameko A., Semenycheva L.N., Abrosimov E.A., Mamonov A.A., Automatic Wide-Range Transformer Bridge for Measurement of Capacitance and Loss-Angle Tangent, â&#x20AC;&#x153;Measurement Techniquesâ&#x20AC;?, Vol. 56, No. 9, 2013, 1054â&#x20AC;&#x201C;1060, DOI: 10.1007/s11018-013-0329-4.

12. Mikhal A.A., Meleshchuk D.V., Warsza Z.L., Zastosowanie podwĂłjnego ekranowania w termometrycznych mostkach AC. â&#x20AC;&#x17E;Pomiary Automatyka Kontrolaâ&#x20AC;?, Nr 11, 2014, 938â&#x20AC;&#x201C;941.

13. Mikhal A.A., Warsza Z.L. Electromagnetic Protection in High Precision Tri-axial Thermometric AC Bridge, R. Szewczyk et al. (eds.), Progress in Automation, Robotics and Measuring Techniques, Vol. 3, Measuring Techniques and Systems, Advances in Intelligent Systems and Computing 352, 2015, 147â&#x20AC;&#x201C;156, DOI:10.1007/978-3-319-15835-8_17.

14. Mikhal A.A., Warsza Z.L., Proste metody sprawdzania dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ci precyzyjnych mostkĂłw termometrycznych (1) Rys historyczny, zasada dziaĹ&#x201A;ania i parametry mostkĂłw, niekonwencjonalna metoda kontroli zera. â&#x20AC;&#x17E;Pomiary Automatyka Robotykaâ&#x20AC;?, Nr 9, 2013, 92â&#x20AC;&#x201C;96.

15. Mikhal A.A., Warsza Z.L., Proste metody sprawdzania dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ci precyzyjnych mostkĂłw termometrycznych (2) Pomiary nieliniowoĹ&#x203A;ci caĹ&#x201A;kowitej metodÄ&#x2026; dychotomii, â&#x20AC;&#x17E;Pomiary Automatyka Robotykaâ&#x20AC;?, Nr 10, 2013, 130â&#x20AC;&#x201C;137.

16. Mikhal A.A., Warsza Z.L., Simple Methods to Measure the Additive Error and Integral Nonlinearity of Precision Thermometric Bridges, R. Szewczyk et al. (eds.), Progress in Automation, Robotics and Measuring Techniques, vol. 3, Measuring Techniques and Systems, Advances in Intelligent Systems and Computing 352, 2015, 157â&#x20AC;&#x201C;170.

DOI: 10.1007/978-3-319-15835-8_18.

47

Hybrydowa metoda pomiaru i jej zastosowanie w wysokoprecyzyjnym temperaturowym mostku AC

J E Q 0 Q " # J = @ < " " > B = Abstract: This article describes the principle of the circuit of an automatic AC bridge for high precision temperature measurements using a standard platinum SPRT sensor. The system uses an original measurement method, proposed was to call a hybrid method. It is a combination of a balanced method for rough compensation of the circuit and a ratiometric method which accurately measures the ratio of two values of the imbalance signal, before and after its known change. With this method, the measuring circuit does not require a part to compensate for the reactive component of the SPRT sensor impedance. The inductive voltage divider with lower number of digits is needed only for coarse compensation. This hybrid system is simpler and at lower cost allows to achieve the same accuracy as the most accurate thermometric bridges with fully balanced circuits.

Keywords0 = " " " > E = E @ " " E "

2 ' -

92 0 $ $

2

2 4 42 0 $ Z" ) %

" ")" %

/ *+.* % ( I @ % *++* % / ,&&& % % CE @ " " M K @ Q = 8 K " # > " P ( % H M I= G S @ " > " M " @

I & &&&&* [ # @

% > *,& E ,, M %

# / K @ " ( *++. % I 8 @ K " > " P # % / ,&&A % % @ "

" " @ S % # S M = 7 0 @ I " = *7*& &&& >%

2

2 ; ,- < $

*+$6)=" % " >E / K = / *+A+ @ *+6- *+-&% G 8 K *+A.7*+6$ *++47*++A / *+6&7-& \ *+-&7*+-. N = / < R " O C = G C > @ " 8 Q @ = H / *+-.7*+., > " " M 8 " " *+.$7*++,% Q K P *++,7*++A R " *+.$7,&&,% CE = M " " 8 @ > " " M 8> % > ,A& E 6 " = 0 E ** M @ " , M % = < Q = = % >R > " Q = # %

48

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 22, Nr 1/2018, 49â&#x20AC;&#x201C;56 DOI: 10.14313/PAR_227/49

K " " M " M " " I " " " N QQO Zygmunt Lech Warsza " 8 > " " M 8> > % ' " ,&, &,@4.6 /

Serhii Zabolotnii < = # ! #

Streszczenie: Przedstawiono sposĂłb wyznaczania estymatorĂłw wartoĹ&#x203A;ci i niepewnoĹ&#x203A;ci menzurandu niekonwencjonalnÄ&#x2026; metodÄ&#x2026; maksymalizacji wielomianu stochastycznego (PMM) dla prĂłbki danych pomiarowych pobranych z populacji modelowanej zmiennÄ&#x2026; losowÄ&#x2026; o rozkĹ&#x201A;adzie niesymetrycznym. W metodzie PMM stosuje siÄ&#x2122; statystykÄ&#x2122; wyĹźszego rzÄ&#x2122;du i opis z uĹźyciem momentĂłw lub kumulantĂłw. Wyznaczono wyraĹźenia analityczne dla estymatorĂłw wartoĹ&#x203A;ci i niepewnoĹ&#x203A;ci standardowej typu A menzurandu za pomocÄ&#x2026; wielomianu stopnia r = 2. NiepewnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; standardowa wartoĹ&#x203A;ci menzurandu otrzymana metodÄ&#x2026; PPM zaleĹźy od skoĹ&#x203A;noĹ&#x203A;ci i kurtozy rozkĹ&#x201A;adu.

Jest ona mniejsza od Ĺ&#x203A;redniej arytmetycznej wyznaczanej wg przewodnika GUM i bliĹźsza wartoĹ&#x203A;ci teoretycznej dla rozkĹ&#x201A;adu populacji danych. JeĹ&#x203A;li rozkĹ&#x201A;ad ten jest nieznany, to estymatory momentĂłw i kumulantĂłw wyznacza siÄ&#x2122; z danych pomiarowych prĂłbki. Sprawdzono skutecznoĹ&#x203A;Ä&#x2021; metody PMM dla kilku podstawowych rozkĹ&#x201A;adĂłw. )

0 " " " D

D

1. Wprowadzenie Proces wyznaczania rezultatu pomiarĂłw obejmuje statystyczne szacowanie wartoĹ&#x203A;ci i rozszerzonej niepewnoĹ&#x203A;ci menzurandu.

Ocenia siÄ&#x2122; je na podstawie prĂłbki zawierajÄ&#x2026;cej dane obserwacji pomiarowych pobrane z ich populacji o losowym rozrzucie wartoĹ&#x203A;ci. Rozrzut ten moĹźna modelowaÄ&#x2021; okreĹ&#x203A;lonym rozkĹ&#x201A;adem prawdopodobieĹ&#x201E;stwa. W wiÄ&#x2122;kszoĹ&#x203A;ci stosuje siÄ&#x2122; jednomodalne rozkĹ&#x201A;ady symetryczne, w tym gĹ&#x201A;Ăłwnie rozkĹ&#x201A;ad normalny (Gaussa) oraz rozkĹ&#x201A;ady: rĂłwnomierny, trĂłjkÄ&#x2026;tny, trapezowe, Laplace i inne [1]. W przewodniku GUM [2], traktowanym jak norma miÄ&#x2122;dzynarodowa, zaleca siÄ&#x2122; by rozrzut danych pomiarowych opisywaÄ&#x2021; niepewnoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; typu A wyniku pomiaru i szacowaÄ&#x2021; jÄ&#x2026; identycznie, jak dla rozkĹ&#x201A;adu normalnego. SposĂłb ten jest jednak niepoprawny przy koniecznoĹ&#x203A;ci modelowania rozrzutu danych pomiarowych rozkĹ&#x201A;adami niegaussowskimi.

Z identyfikacji i analizy danych pomiarowych wystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;cych

$

' 0 =" ;% / ) % $

,6%&+%,&*- % &,%**%,&*- %

! "" # $%&

w praktyce pomiarowej wynika, Ĺźe w niektĂłrych przypadkach trzeba teĹź stosowaÄ&#x2021; rozkĹ&#x201A;ady niesymetryczne wskutek wystÄ&#x2122;powania asymetrycznych bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dĂłw przypadkowych [3â&#x20AC;&#x201C;6]. PowstajÄ&#x2026; one przy nieliniowym rĂłwnaniu pomiaru, skorelowaniu torĂłw pomiarowych oraz istnieniu zarĂłwno staĹ&#x201A;ych jak i zmieniajÄ&#x2026;cych siÄ&#x2122; deterministycznie w trakcie pomiarĂłw niezidentyfikowanych, a wiÄ&#x2122;c i nieusuniÄ&#x2122;tych bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dĂłw systematycznych.

JednÄ&#x2026; z ostatnio proponowanych zmian w zaleceniach GUM jest stosowanie podejĹ&#x203A;cia Bayesa [7, 8] wraz z metodÄ&#x2026; najwiÄ&#x2122;kszej wiarygodnoĹ&#x203A;ci. Do prawidĹ&#x201A;owego doboru metody pomiaru oraz obliczenia niepewnoĹ&#x203A;ci pomiarĂłw niezbÄ&#x2122;dna jest wstÄ&#x2122;pna identyfikacja i przybliĹźenie rozrzutu danych odpowiednim dla danego zadania pomiarowego rozkĹ&#x201A;adem prawdopodobieĹ&#x201E;stwa [9]. Realizuje siÄ&#x2122; to zarĂłwno metodami analitycznymi [10], jak i przy pomocy modelowania statystycznego metodÄ&#x2026; Monte Carlo [2, Supl. 1], [15]. PodejĹ&#x203A;cie Bayesa wymaga jednak informacji a priori o funkcji rozkĹ&#x201A;adu danych pomiarowych. Cechuje je takĹźe potencjalnie wysoki stopieĹ&#x201E; zĹ&#x201A;oĹźonoĹ&#x203A;ci przy analizie parametrĂłw. W pracy [11] i w monografii [24 rozdz. 9] przedstawiono podejĹ&#x203A;cie alternatywne, ktĂłre nie wymaga identyfikacji rozkĹ&#x201A;adu.

PolegaĹ&#x201A;a ona na rozmnoĹźeniu danych prĂłbki pomiarowej metodÄ&#x2026; bootstrap i sprawdzeniu, ktĂłry ze zbioru jedno- i kilkuelementowych estymatorĂłw ma dla tych danych najmniejszÄ&#x2026; wariancjÄ&#x2122;.

PoniĹźej omawia siÄ&#x2122; inne podejĹ&#x203A;cie alternatywne o nazwie Metoda Maksymalizacji Wielomianu i akronimie PMM utworzonym od angielskiej wersji tej nazwy. MetodÄ&#x2122; tÄ&#x2122; zaproponowaĹ&#x201A; Kunchenko [15, 16]. UmoĹźliwia ona tworzenie modeli

49

C

! ! ! ! ! X% Y â&#x2C6;&#x2019; wĹ&#x201A;a

addytywnoĹ&#x203A;ci, tj. kumulant i-tego rzÄ&#x2122;du dla sumy niezaleĹźnych statystycznie zmiennych losowych jest sumÄ&#x2026; kumulantĂłw wszystkich skĹ&#x201A;adowych tego rzÄ&#x2122;du.

PrzykĹ&#x201A;adem zastosowania tego opisu wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci zmiennej losowej w metrologii jest zaproponowana w [12] metoda kurtozy do wyznaczania bĹ&#x201A;Ä&#x2122;du pomiaru sumy zmiennych losowych o róşnych rozkĹ&#x201A;adach. Jednak zakres stosowania algorytmu tej metody ogranicza siÄ&#x2122; do skĹ&#x201A;adowych losowych opisywanych symetrycznymi rozkĹ&#x201A;adami PDF (funkcja gÄ&#x2122;stoĹ&#x203A;ci prawdopodobieĹ&#x201E;stwa), a jej analityczno-graficzny sposĂłb realizacji jest trudny do automatyzacji.

W pracy [13], za pomocÄ&#x2026; kumulantĂłw wykonano analizÄ&#x2122; modeli ukĹ&#x201A;adĂłw pomiarowych z addytywnymi i multiplikatywnymi bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dami przypadkowymi w torach przetwarzania sygnaĹ&#x201A;Ăłw.

ZaĹ&#x203A; w [14] zbadano szczegĂłĹ&#x201A;owo rolÄ&#x2122; wspĂłĹ&#x201A;czynnika kumulanta rzÄ&#x2122;du 4 (kurtozy) jako istotnego parametru rozkĹ&#x201A;adĂłw symetrycznych. ZaleĹźnoĹ&#x203A;ci pierwszych czterech kumulantĂłw prĂłbki od jej momentĂłw poczÄ&#x2026;tkowych oraz podstawowe operacje na kumulantach podano w tabeli 1. Wzory dla k2 i nastÄ&#x2122;pnych upraszczajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; jeĹ&#x203A;li a1 = 0, czyli gdy wyraĹźa siÄ&#x2122; je przez momenty centralne prĂłbki.

opartych na statystyce wyĹźszego rzÄ&#x2122;du dla róşnych funkcji zmiennych losowych. Wzory stajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; prostsze, gdy w opisie uĹźywa siÄ&#x2122; kumulantĂłw, ktĂłre Ĺ&#x201A;atwo wyznacza siÄ&#x2122; numerycznie za poĹ&#x203A;rednictwem momentĂłw. MetodÄ&#x2122; PMM moĹźna stosowaÄ&#x2021; jako narzÄ&#x2122;dzie matematyczne do przetwarzania danych statystycznych w takich dziedzinach jak: rozpoznawanie obrazĂłw funkcji [17], identyfikacja punktu wystÄ&#x2026;pienia zmian statystycznych parametrĂłw sygnaĹ&#x201A;u (ang. change point) [18, 19], wykrywanie i estymacja parametrĂłw sygnaĹ&#x201A;Ăłw na tle niegaussowskich zakĹ&#x201A;ĂłceĹ&#x201E; [20] oraz wielu innych. Autorzy badajÄ&#x2026; moĹźliwoĹ&#x203A;ci zastosowania metody PMM w metrologii i technice pomiarowej, w tym do wyznaczania ocen wartoĹ&#x203A;ci i niepewnoĹ&#x203A;ci pomiarĂłw. Badania te wykazaĹ&#x201A;y juĹź, Ĺźe metoda ta (w poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeniu z opracowaniem modeli probabilistycznych opartych na statystyce wyĹźszych rzÄ&#x2122;dĂłw i ich opisem przez momenty i kumulanty) ma szereg zalet.

Upraszcza siÄ&#x2122; proces syntezy i moĹźna rĂłwnoczeĹ&#x203A;nie uwzglÄ&#x2122;dniÄ&#x2021; probabilistyczne wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci kilku parametrĂłw. Poprawia siÄ&#x2122; szacowanie dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ci pomiarĂłw, gdyĹź wariancje estymowanych parametrĂłw sÄ&#x2026; wĂłwczas mniejsze. Mniejsze teĹź jest prawdopodobieĹ&#x201E;stwo bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dnych decyzji.

Opis róşnych rozkĹ&#x201A;adĂłw prawdopodobieĹ&#x201E;stwa przez kumulanty wykorzystuje siÄ&#x2122; dotÄ&#x2026;d bardzo rzadko w praktyce pomiarowej.

Jest on mniej znany niĹź z uĹźyciem momentĂłw rozkĹ&#x201A;adu, mimo Ĺźe wzory uĹźywane w analizie zmiennych losowych sÄ&#x2026; prostsze. Na przykĹ&#x201A;ad rozkĹ&#x201A;ad normalny ma nieskoĹ&#x201E;czenie wiele momentĂłw parzystych, zaĹ&#x203A; wszystkie jego kumulanty rzÄ&#x2122;du r > 2 sÄ&#x2026; rĂłwne zeru. OmĂłwimy krĂłtko podstawowe wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci kumulantĂłw.

Kumulanty sÄ&#x2026; wspĂłĹ&#x201A;czynnikami rozwiniÄ&#x2122;cia w szereg Taylora-MacLaurina logarytmu charakterystycznej funkcji fΞ(u) zmiennej losowej Ξ [21]. OpisujÄ&#x2026; to wzory:

â&#x17D;Ąd r ln fΞ (u ) â&#x17D;¤ 1 â&#x17D;Ľ , fΞ (u ) = r 2Ď&#x20AC; â&#x17D;˘â&#x17D;Ł du â&#x17D;Ľâ&#x17D;Ś u =0

Îş r = j â&#x2C6;&#x2019;r â&#x17D;˘

# + E

7 Zastosowanie metody maksymalizacji wielomianu stochastycznego PMM jako niekonwencjonalnego narzÄ&#x2122;dzia matematycznego do wyznaczania parametrĂłw wyniku pomiarĂłw wielokrotnych o wartoĹ&#x203A;ciach danych pobranych losowo z rozkĹ&#x201A;adu symetrycznego autorzy omĂłwili w [23]. PoniĹźej przedstawi siÄ&#x2122; zastosowanie metody PMM dla prĂłbek danych pomiarowych z rozkĹ&#x201A;adĂłw asymetrycznych. Celem tej pracy jest: â&#x2C6;&#x2019; zastosowanie metody maksymalizacji wielomianu (o angielskim akronimie PMM) do syntezy algorytmĂłw estymacji parametrĂłw menzurandu dla modeli rozkĹ&#x201A;adu bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dĂłw asymetrycznych opisanych kumulantami, â&#x2C6;&#x2019; analiza teoretyczna dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ci estymatorĂłw parametrĂłw wielomianu, â&#x2C6;&#x2019; zbadanie skutecznoĹ&#x203A;ci powyĹźszych algorytmĂłw modelowania statystycznego.

RozpatrywaÄ&#x2021; bÄ&#x2122;dziemy pomiary staĹ&#x201A;ej wartoĹ&#x203A;ci oczekiwanej q pojedynczej wielkoĹ&#x203A;ci mierzonej jako szczegĂłlny przypadek instrumentalnego badania menzurandu. Wynik pomiaru wyznacza siÄ&#x2122; na podstawie szeregu powtĂłrzonych obserwacji pomiarowych tej wielkoĹ&#x203A;ci, lub zaleĹźnego od niej sygnaĹ&#x201A;u x. Wskutek wielu róşnych oddziaĹ&#x201A;ywaĹ&#x201E; zewnÄ&#x2122;trznych i wewnÄ&#x2122;trznych oraz niedoskonaĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci instrumentarium (przyrzÄ&#x2026;dy, system pomiarowy) wartoĹ&#x203A;ci pozyskanych obserwacji, czyli surowe dane pomiarowe podlegajÄ&#x2026; rozrzutowi. SÄ&#x2026; one obarczone wystÄ&#x2122;powaniem niepoĹźÄ&#x2026;danych skĹ&#x201A;adowych, tj. bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dami pomiarowymi o charakterze zdeterminowanym (bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dy systematyczne o wartoĹ&#x203A;ciach: staĹ&#x201A;ych i zmiennych, dryft oraz zakĹ&#x201A;Ăłcenia oscylacyjne) oraz losowym

â&#x2C6;&#x17E;

â&#x2C6;Ť pΞ (x ) e

jux

dx

â&#x2C6;&#x2019;â&#x2C6;&#x17E;

gdzie: kr â&#x20AC;&#x201C; kumulant rzÄ&#x2122;du r, pΞ(x) â&#x20AC;&#x201C; funkcja gÄ&#x2122;stoĹ&#x203A;ci prawdopodobieĹ&#x201E;stwa (PDF).

W analizie statystycznej uĹźywa siÄ&#x2122; teĹź bezwymiarowych wspĂłĹ&#x201A;czynnikĂłw kumulantĂłw Îł r = Îş r Îş 2â&#x2C6;&#x2019;r /2 . Najbardziej znane sÄ&#x2026;: wspĂłĹ&#x201A;czynnik kumulanta asymetrii g3 oraz wspĂłĹ&#x201A;czynnik kumulanta kurtozy g4. Zalety uĹźycia kumulantĂłw [21] sÄ&#x2026; nastÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;ce: â&#x2C6;&#x2019; sÄ&#x2026; to odrÄ&#x2122;bne parametry statystyczne rozkĹ&#x201A;adĂłw zmiennej losowej, alternatywne do momentĂłw i w pewnym stopniu niezaleĹźne od siebie; â&#x2C6;&#x2019; kumulanty wyznacza siÄ&#x2122; bardzo prosto z momentĂłw prĂłbki (tabela 1 kolumna lewa); â&#x2C6;&#x2019; pewnÄ&#x2026; liczbÄ&#x2026; kumulantĂłw wyĹźszego rzÄ&#x2122;du (lub ich wspĂłĹ&#x201A;czynnikami) moĹźna scharakteryzowaÄ&#x2021; w prosty sposĂłb stopieĹ&#x201E; niegaussowoĹ&#x203A;ci zmiennej losowej; â&#x2C6;&#x2019; bardzo waĹźnÄ&#x2026; wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; kumulantĂłw jest ich niezaleĹźnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; (inwariantnoĹ&#x203A;Ä&#x2021;) na przesuniÄ&#x2122;cie argumentu i zmiany skali zmiennych losowych (tab.1 kolumna prawa),

Tabela 1. Wzory Ĺ&#x201A;Ä&#x2026;czÄ&#x2026;ce kumulanty i momenty poczÄ&#x2026;tkowe oraz podstawowe wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci kumulantĂłw Table 1. Patterns connecting cumulants and initial moments and basic properties of cumulants

Wyznaczanie kumulantĂłw z momentĂłw poczÄ&#x2026;tkowych

Podstawowe wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci kumulantĂłw

rĂłwnowaĹźnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; inwariantnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; jednorodnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; addytywnoĹ&#x203A;Ä&#x2021;

50

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

Zygmunt Lech Warsza, Serhii Zabolotnii (bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dy przypadkowe, outliery). Surowe dane naleĹźy oczyĹ&#x203A;ciÄ&#x2021; z bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dĂłw systematycznych o wartoĹ&#x203A;ciach znanych a priori, lub wykrytych w procesie pomiarowym [24 rozdz.2]. Dane pomiarowe koryguje siÄ&#x2122; poprzez poprawki, a wpĹ&#x201A;ywy o nieznanych wartoĹ&#x203A;ciach, ale o przewidywanych zakresach ich zmian, randomizuje i opisuje siÄ&#x2122; niepewnoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; typu B [2].

Ze skorygowanych eksperymentalnych danych prĂłbki, jako wynik pomiarĂłw wyznacza siÄ&#x2122; metodami statystycznymi estymator wartoĹ&#x203A;ci menzurandu θË&#x2020; oraz rozkĹ&#x201A;ad niepewnoĹ&#x203A;ci typu A i jej wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; standardowÄ&#x2026; uA. NiepewnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; rozszerzonÄ&#x2026; U, czyli przedziaĹ&#x201A;, w ktĂłrym moĹźe znajdowaÄ&#x2021; siÄ&#x2122; wynik pomiarĂłw z okreĹ&#x203A;lonym prawdopodobieĹ&#x201E;stwem P, otrzymuje siÄ&#x2122; bÄ&#x2026;dĹş ze splotu rozkĹ&#x201A;adĂłw niepewnoĹ&#x203A;ci typu A i B wyznaczony metodÄ&#x2026; Monte Carlo (MC) [2 Supl.1], bÄ&#x2026;dĹş z geometrycznej sumy ich niepewnoĹ&#x203A;ci standardowych

U = k P u A2 + u B2

UkĹ&#x201A;ad rĂłwnaĹ&#x201E; (2) rozwiÄ&#x2026;zuje siÄ&#x2122; analitycznie metodÄ&#x2026; Kramera:

gdzie: Dr = â&#x20AC;&#x2013;Fi,jâ&#x20AC;&#x2013;; ( i , j = 1,r ) â&#x20AC;&#x201C; wyznacznik gĹ&#x201A;Ăłwny ukĹ&#x201A;adu rĂłwnaĹ&#x201E; (2) o wymiarze r, Dir â&#x20AC;&#x201C; wyznacznik otrzymany z Dr po zastÄ&#x2026;pieniu i-tej kolumny przez kolumnÄ&#x2122; wyrazĂłw wolnych ukĹ&#x201A;adu rĂłwnaĹ&#x201E; (2). Dr = â&#x20AC;&#x2013;Fi,jâ&#x20AC;&#x2013;; W pracach [15, 16] Kunczenko wykazaĹ&#x201A;, Ĺźe oceny wielomianowe θË&#x2020; bÄ&#x2122;dÄ&#x2026;ce rozwiÄ&#x2026;zaniami ukĹ&#x201A;adu rĂłwnaĹ&#x201E; stochastycznych o postaci (1) sÄ&#x2026; spĂłjne i asymptotycznie nieobciÄ&#x2026;Ĺźone. Do wyznaczenia ocen niepewnoĹ&#x203A;ci pomiaru trzeba okreĹ&#x203A;liÄ&#x2021; iloĹ&#x203A;Ä&#x2021; wydobytej informacji o szacowanej wielkoĹ&#x203A;ci q, opisanej ogĂłlnie rĂłwnaniem

kP â&#x20AC;&#x201C; wspĂłĹ&#x201A;czynnik rozszerzenia zaleĹźny od rozkĹ&#x201A;adu splotu i P. Dalszy tekst dotyczy zastosowania statystycznej metody wielomianowej PMM do wyznaczania wartoĹ&#x203A;ci i niepewnoĹ&#x203A;ci wyniku pomiarĂłw. ZbiĂłr uzyskanych i skorygowanych przez poprawki wartoĹ&#x203A;ci obserwacji pomiarowych stanowi prĂłbkÄ&#x2122; danych z = {z1 , z2 ,...zn } pobranych z populacji generalnej jako zbioru wszystkich moĹźliwych ich wartoĹ&#x203A;ci. Populacja ta skĹ&#x201A;ada siÄ&#x2122; z niezaleĹźnych i jednolicie rozproszonych losowo elementĂłw opisanych modelem x = q + h. W pomiarach q = const jest wartoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; mierzonÄ&#x2026;, a h â&#x20AC;&#x201C; dowolnie rozĹ&#x201A;oĹźonÄ&#x2026;, w tym i asymetrycznie, zmiennÄ&#x2026; losowÄ&#x2026; opisujÄ&#x2026;cÄ&#x2026; wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci probabilistyczne przypadkowych bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dĂłw pomiaru w postaci rozkĹ&#x201A;adu prawdopodobieĹ&#x201E;stwa, bÄ&#x2026;dĹş przez sekwencjÄ&#x2122; kumulantĂłw i ich wspĂłĹ&#x201A;czynnikĂłw.

W takim modelu matematycznym kumulant populacji pierwszego rzÄ&#x2122;du k1 jest wartoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; mierzonÄ&#x2026; wraz z przesuniÄ&#x2122;ciem o niewyeliminowany bĹ&#x201A;Ä&#x2026;d systematyczny, kumulant drugiej rzÄ&#x2122;du k2 okreĹ&#x203A;la wariancjÄ&#x2122; skĹ&#x201A;adowej losowej, a wspĂłĹ&#x201A;czynniki kumulantĂłw wyĹźszych rzÄ&#x2122;dĂłw g3, g4, ... opisujÄ&#x2026; stopieĹ&#x201E; odchylenia danego rozkĹ&#x201A;adu od rozkĹ&#x201A;adu Gaussa. Natomiast za pomocÄ&#x2026; kumulantĂłw obliczonych ze skorygowanych danych pomiarowych prĂłbki wyznacza siÄ&#x2122; wynik pomiaru jako estymator wartoĹ&#x203A;ci mierzonej q oraz jego niepewnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; typu A.

U 3

(PMM)

â&#x2C6;&#x2018; hi (θ ) [ÎąË&#x2020; i â&#x2C6;&#x2019; Îą i (θ )] i =1

=0

(1)

1 n

n

â&#x2C6;&#x2018;x

i v

â&#x20AC;&#x201C; i-tego rzÄ&#x2122;du momenty poczÄ&#x2026;t-

v =1

kowe: teoretyczny, tj. dla populacji oraz dla prĂłbki o n danych pomiarowych.

WspĂłĹ&#x201A;czynniki hi(q) dla i = 1, r sÄ&#x2026; rozwiÄ&#x2026;zaniami ukĹ&#x201A;adu algebraicznych rĂłwnaĹ&#x201E; liniowych rzÄ&#x2122;du r dla warunkĂłw minimalizacji wariancji estymatora q, tj.: r

â&#x2C6;&#x2018; hi (θ ) Fi , j (θ ) = i =1

d ι j (θ ) , dθ

gdzie: Fi,j(q) = ai+j(q) â&#x20AC;&#x201C; ai(q)aj(q)

Ď&#x192; (2θ ) r = limJ râ&#x2C6;&#x2019;,1n (θ ) . n â&#x2020;&#x2019;â&#x2C6;&#x17E;

(4)

%

WyraĹźenia analityczne stanÄ&#x2026; siÄ&#x2122; prostsze po dokonaniu standaryzacji danych oryginalnej prĂłbki pomiarowej, tj.:

xv â&#x2030;Ą (zv â&#x2C6;&#x2019; Îş1 ) Îş 2

, dla v = 1, n

(5)

Otrzymuje siÄ&#x2122; unormowanÄ&#x2026; prĂłbkÄ&#x2122; x = {x1 , x 2 ,...x n } . Jest ona zbiorem znormalizowanych danych pomiarowych o wartoĹ&#x203A;ci oczekiwanej takiej, jak estymator wartoĹ&#x203A;ci parametru q, ale o wariancji rĂłwnej 1.

Z podstawowego wzoru (1) dla metody PMM wynika, Ĺźe przy szacowaniu z uĹźyciem wielomianu stopnia r = 1, wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; estymatora θË&#x2020; wielkoĹ&#x203A;ci q jest rozwiÄ&#x2026;zaniem rĂłwnania: (6)

Z postaci wyraĹźenia (6) wynika, Ĺźe przy dowolnej wartoĹ&#x203A;ci czynnika h1(q) â&#x2030; 0 moĹźna je przeksztaĹ&#x201A;ciÄ&#x2021; w statystykÄ&#x2122; liniowÄ&#x2026;.

Estymator parametru q jest wĂłwczas Ĺ&#x203A;redniÄ&#x2026; arytmetycznÄ&#x2026;:

θË&#x2020;(1) =

1 n

n

â&#x2C6;&#x2018;x

v

(6a)

v =1

θ =θË&#x2020;

gdzie: r â&#x20AC;&#x201C; jest stopniem wielomianu uĹźytego do estymacji parametrĂłw, ai(q), ÎąË&#x2020; i =

(3)

Sens statystyczny funkcji Jr,n(q) jest taki sam, jak w klasycznej koncepcji Fischera o iloĹ&#x203A;ci informacji. JeĹźeli n â&#x2020;&#x2019; â&#x2C6;&#x17E;, to jej odwrotnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; dÄ&#x2026;Ĺźy do wariancji estymatora q, tj.:

h1 (θ ) [ÎąË&#x2020; 1 â&#x2C6;&#x2019; θ ] θ =θË&#x2020; = 0 ,

WedĹ&#x201A;ug metody PMM podanej przez KunchenkÄ&#x2122; [15], oszacowania czyli estymatory parametrĂłw statystycznych wielkoĹ&#x203A;ci mierzonej q wyznacza siÄ&#x2122; rozwiÄ&#x2026;zujÄ&#x2026;c rĂłwnanie stochastyczne [23, 24Â rozdz.10] r

,

j = 1, s

(2)

o postaci (6a) jest teĹź oszacowaniem wartoĹ&#x203A;ci Estymator oczekiwanej zmiennej losowej wyznaczanym klasycznÄ&#x2026; metodÄ&#x2026; momentĂłw (MM). Estymator o postaci (6a) ma najmniejszÄ&#x2026; wariancjÄ&#x2122; dla danych pomiarowych prĂłbki tylko wtedy, gdy zmienna losowa ma rozkĹ&#x201A;ad Gaussa i ponadto jej pobrane losowo wartoĹ&#x203A;ci x = {x1 , x2 ,...xn } nie sÄ&#x2026; skorelowane [1, 24 rozdz. 3].

JeĹ&#x203A;li rozkĹ&#x201A;ad danych pomiarowych jest inny niĹź normalny, to do wyznaczenia estymatorĂłw o niepewnoĹ&#x203A;ci mniejszej niĹź dla wartoĹ&#x203A;ci Ĺ&#x203A;redniej naleĹźy stosowaÄ&#x2021; metody alternatywne. NaleĹźy teĹź do nich niekonwencjonalny sposĂłb szacowania estymatorĂłw nieliniowych metodÄ&#x2026; PMM, ktĂłra wykorzystuje optymalizacjÄ&#x2122; wielomianĂłw stochastycznych.

WedĹ&#x201A;ug metody PMM z wielomianem stopnia r = 2 (i przy unormowaniu danych prĂłbki) estymatorem parametru q jest rozwiÄ&#x2026;zanie rĂłwnania:

51

C

! ! ! ! ! X% Y

[

)]

(

h1 (θ )[ÎąË&#x2020; 1 â&#x2C6;&#x2019; θ ] + h2 (θ ) ÎąË&#x2020; 2 â&#x2C6;&#x2019; θ 2 + 1

θ =θË&#x2020;

(12)

=0

(7)

gdzie: h1(q) i h2(q) â&#x20AC;&#x201C; wspĂłĹ&#x201A;czynniki optymalne.

odchyleĹ&#x201E; od estymatora Jest to stosunek wariancji parametru q, wyznaczonego metodÄ&#x2026; PMM(r) oraz wariancji opisanego wzorem (6a) odchyleĹ&#x201E; od estymatora liniowego i szacowanego metodÄ&#x2026; PMM(1) z wielomianem stopnia r = 1 (czyli tak samo, jak metodÄ&#x2026; momentĂłw MM). o postaci (6a) jest nieobciÄ&#x2026;Ĺźony (o warEstymator liniowy toĹ&#x203A;ci poczÄ&#x2026;tkowej rĂłwnej zeru) i zgodny [1]. Jego wariancja nie zaleĹźy od wartoĹ&#x203A;ci szacowanego parametru, ale wyĹ&#x201A;Ä&#x2026;cznie od wariancji skĹ&#x201A;adowej losowej danych pomiarowych (kumulant drugiego rzÄ&#x2122;du k2 = m2) i od ich liczby n w prĂłbce:

WspĂłĹ&#x201A;czynniki h1(q) i h2(q) dla r = 2 minimalizujÄ&#x2026; wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; poszukiwanego estymatora parametru q. Znajduje siÄ&#x2122; je rozwiÄ&#x2026;zujÄ&#x2026;c ukĹ&#x201A;ad dwĂłch rĂłwnaĹ&#x201E; liniowych o postaci (2) h1(q) + h2(q)[2q + g3] = 1 h1(q)[2q + g3] + h2(q)[4q 2 + 4qg3 + (2 + g4)] = 2q Otrzymuje siÄ&#x2122; wyraĹźenia:

( )

h1 θ = 1 +

( )

h2 θ = â&#x2C6;&#x2019;

2 θ Îł 3 + Îł 32 2 â&#x2C6;&#x2019; Îł 32 + Îł 4

(13) ,

(8a)

Îł3

Z wyraĹźenia (8) opisujÄ&#x2026;cego optymalne wspĂłĹ&#x201A;czynniki metody PMM oraz w oparciu o wzĂłr ogĂłlny (3) moĹźna otrzymaÄ&#x2021; iloĹ&#x203A;Ä&#x2021; informacji o estymatorach parametru q, ktĂłrÄ&#x2026; uzyskuje siÄ&#x2122; z prĂłbki o wielkoĹ&#x203A;ci n za pomocÄ&#x2026; wielomianĂłw stochastycznych stopnia r = 2:

(8b)

2 â&#x2C6;&#x2019; Îł 32 + Îł 4

Po wstawieniu tych wspĂłĹ&#x201A;czynnikĂłw do (1), rĂłwnanie sĹ&#x201A;uĹźÄ&#x2026;ce do oszacowania parametru q przyjmuje postaÄ&#x2021;:

Îł 3θ 2 â&#x2C6;&#x2019; â&#x17D;Ąâ&#x17D;Ł2Îł 3ÎąË&#x2020;1 â&#x2C6;&#x2019; ( 2 + Îł 4 ) â&#x17D;¤â&#x17D;Ś θ â&#x2C6;&#x2019; ( 2 + Îł 4 ) ÎąË&#x2020;1 + Îł 3 â&#x17D;Ąâ&#x17D;ŁÎąË&#x2020;2 â&#x2C6;&#x2019; 1â&#x17D;¤â&#x17D;Ś

θ =θË&#x2020;

J 2n (θ ) =

= 0 (9) Asymptota wariancji Ď&#x192; (2θ )2 jest odwrotnoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; J2n(θ), tj.

Z analizy wyraĹźenia (9) wynika, Ĺźe dla rozkĹ&#x201A;adu symetrycznego (g3 = 0), to kwadratowe rĂłwnanie przeksztaĹ&#x201A;ca siÄ&#x2122; w liniowe o jednym tylko rozwiÄ&#x2026;zaniu, takim samym jak dla rĂłwnania (6).

JeĹ&#x203A;li g3 â&#x2030; 0, to rĂłwnanie (9) ma dwa pierwiastki:

θË&#x2020;

( 2) 1,2

= ÎąË&#x2020;1 â&#x2C6;&#x2019;

2 + Îł4 2Îł 3

â&#x17D;&#x203A; 2 + Îł4 â&#x17D;&#x17E; 2 Âą 1 â&#x2C6;&#x2019; â&#x17D;ĄÎąË&#x2020;2 â&#x2C6;&#x2019; ÎąË&#x2020;1 â&#x17D;¤ + â&#x17D;&#x153; â&#x17D;˘â&#x17D;Ł â&#x17D;Ľâ&#x17D;Ś â&#x17D;&#x153; 2Îł â&#x17D;&#x;â&#x17D;&#x; 3 â&#x17D; â&#x17D;?

( )

2 + Îł4 n , Îş 2 2 â&#x2C6;&#x2019; Îł 32 + Îł 4

Ď&#x192; (2θ ) 2 =

Îş2 â&#x17D;&#x203A;

Îł 32 â&#x17D;&#x17E; â&#x17D;&#x153;1 â&#x2C6;&#x2019; â&#x17D;&#x; n â&#x17D;&#x153;â&#x17D;?

2 + Îł 4 â&#x17D;&#x;â&#x17D;

(14)

WspĂłĹ&#x201A;czynnik zmniejszenia wariancji wyniesie wĂłwczas

2

(10)

g (θ )2 = 1 â&#x2C6;&#x2019;

Przy stosowaniu metody wielomianowej PMM, jeĹ&#x203A;li istnieje kilka moĹźliwych rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; rĂłwnania (6), to naleĹźy wybraÄ&#x2021; pierwiastek bÄ&#x2122;dÄ&#x2026;cy liczbÄ&#x2026; rzeczywistÄ&#x2026;. WedĹ&#x201A;ug wzoru (3) pozyska siÄ&#x2122; wĂłwczas maksymalnÄ&#x2026; iloĹ&#x203A;Ä&#x2021; informacji Jrn(q) i najmniejszÄ&#x2026; wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wariancji.

W przedstawianych tu badaniach dotyczÄ&#x2026;cych zastosowania metody PPM w analizie pomiarĂłw, zasadÄ&#x2122; wyboru pierwiastka rĂłwnania (10) jako optymalnego estymatora parametru q okreĹ&#x203A;la punkt zmiany znaku wspĂłĹ&#x201A;czynnika asymetrii, tj. dla g3 = 0.

Tak wiÄ&#x2122;c oszacowaniem parametru q, wyznaczonym za pomocÄ&#x2026; wielomianu stopnia r = 2, jest estymator θË&#x2020; (2 )

θË&#x2020;(2) = θË&#x2020;(1) + δ (2) ,

Îł 32 2 +Îł4

(15)

Jest on funkcjÄ&#x2026; wspĂłĹ&#x201A;czynnikĂłw g3 i g4 kumulantĂłw skoĹ&#x203A;noĹ&#x203A;ci i kurtozy i nie zaleĹźy od liczby n danych prĂłbki.

WspĂłĹ&#x201A;czynniki kumulantĂłw wyĹźszych rzÄ&#x2122;dĂłw nie mogÄ&#x2026; przyjmowaÄ&#x2021; wartoĹ&#x203A;ci dowolnych i ich granice sÄ&#x2026; ze sobÄ&#x2026; powiÄ&#x2026;zane [15]. PrzykĹ&#x201A;adem jest powiÄ&#x2026;zanie granic wartoĹ&#x203A;ci wspĂłĹ&#x201A;czynnikĂłw kumulantĂłw g3 i g4. Z analizy wzoru (15) wynika, Ĺźe bezwymiarowy wspĂłĹ&#x201A;czynnik redukcji (zmniejszania) wariancji g(θ)2 ma zakres (0; 1], zaĹ&#x203A; dopuszczalne wartoĹ&#x203A;ci wspĂłĹ&#x201A;czynnikĂłw kumulantĂłw ogranicza nierĂłwnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; Îł 4 + 2 â&#x2030;Ľ Îł 32 .

(11)

o wspĂłĹ&#x201A;czynniku korekcyjnym δ (2 ) w postaci rozwiniÄ&#x2122;tej

â&#x17D;Ą â&#x17D;&#x203A; 2 +Îł4 â&#x17D;&#x153;1 δ (2 ) = â&#x2C6;&#x2019; + sign(Îł 3 )â&#x17D;˘1 â&#x2C6;&#x2019; â&#x17D;&#x153; â&#x17D;˘ 2Îł 3 â&#x17D;&#x153;n â&#x17D;Łâ&#x17D;˘ â&#x17D;?

n

â&#x2C6;&#x2018;x

2 v

v =1

â&#x17D;&#x203A;1 â&#x2C6;&#x2019;â&#x17D;&#x153; â&#x17D;&#x153;n â&#x17D;?

1 2â&#x17D;¤2

2â&#x17D;&#x17E;

n

â&#x17D;&#x17E; â&#x17D;&#x; â&#x17D;&#x203A; 2 + Îł4 â&#x17D;&#x17E; â&#x17D;Ľ â&#x17D;&#x; 2Îł 3 â&#x17D;&#x;â&#x17D; â&#x17D;Ľ â&#x17D;Ľâ&#x17D;Ś â&#x17D;

â&#x2C6;&#x2018; x â&#x17D;&#x;â&#x17D;&#x;â&#x17D; â&#x17D;&#x;â&#x17D;&#x; + â&#x17D;&#x153;â&#x17D;&#x153;â&#x17D;? v

v =1

(11a)

[ $

%

7

Rys. 1. ZaleĹźnoĹ&#x203A;ci wspĂłĹ&#x201A;czynnika redukcji wariancji g(q)2 = s2 (q)2r /s2 (q)1 estymatora wartoĹ&#x203A;ci menzurandu wedĹ&#x201A;ug metody PMM (2) (z wielomianem stopnia 2) od wspĂłĹ&#x201A;czynnikĂłw kumulanta g3, g4 Fig 1. Dependence of the variance reduction coefficient g(q)2 = s2 (q)2r /s2 (q)1 calculated by the 2nd order polynomial method PMM(2) from cumulative coefficients g3, g4

MetodÄ&#x2026; wielomianowÄ&#x2026; PMM i parametry wyznaczane z danych prĂłbki za pomocÄ&#x2026; wielomianu r-tego stopnia oznaczaÄ&#x2021; siÄ&#x2122; bÄ&#x2122;dzie dalej w tekĹ&#x203A;cie dolnym indeksem (r).

NiepewnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; pomiaru wg metody PMM(r) proponuje siÄ&#x2122; oceniaÄ&#x2021; iloĹ&#x203A;ciowo za pomocÄ&#x2026; wspĂłĹ&#x201A;czynnika redukcji wariancji

52

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

Zygmunt Lech Warsza, Serhii Zabolotnii Na rysunku 1 przedstawiono zaleĹźnoĹ&#x203A;ci wspĂłĹ&#x201A;czynnika g(θ)2 od wspĂłĹ&#x201A;czynnika asymetrii g3 dla kilku staĹ&#x201A;ych wartoĹ&#x203A;ci wspĂłĹ&#x201A;czynnika kurtozy g4 jako parametru.

Krzywe z rysunku 1 wykazujÄ&#x2026;, Ĺźe wariancja estymatora wg metody PMM(2), tj. z wielomianem drugiego stopnia znaczÄ&#x2026;co maleje ze wzrostem asymetrii rozkĹ&#x201A;adu (wartoĹ&#x203A;ci bezwzglÄ&#x2122;dne |g3| wspĂłĹ&#x201A;czynnikĂłw asymetrii i osiÄ&#x2026;ga zero na brzegach obszaru dopuszczalnych wartoĹ&#x203A;ci g3, ktĂłre wzrastajÄ&#x2026; wraz z g4.

nego z danych prĂłbki pomiarowej) wspĂłĹ&#x201A;czynnika redukcji wariancji gË&#x2020; (θ ) 2 .

W obliczeniach estymatorĂłw parametru q (11) wielomianowÄ&#x2026; metodÄ&#x2026; PMM nie brano pod uwagÄ&#x2122; informacji a priori o rodzaju rozkĹ&#x201A;adu, a tylko wartoĹ&#x203A;ci jego wspĂłĹ&#x201A;czynnikĂłw kumulanta jako parametrĂłw modelu. Wyznaczano je z wyraĹźeĹ&#x201E; analitycznych wiÄ&#x2026;ĹźÄ&#x2026;cych momenty i kumulanty rozkĹ&#x201A;adu (Tabela 1). W praktyce wstÄ&#x2122;pujÄ&#x2026; teĹź sytuacje, gdy informacja o rozkĹ&#x201A;adzie badanych parametrĂłw nie jest dostÄ&#x2122;pna a priori. Potrzebne w analizie estymatory momentĂłw moĹźna wĂłwczas uzyskaÄ&#x2021; z danych prĂłbki, lub w sposĂłb algorytmiczny przez procedury treningowe z wykorzystaniem relacji asymptotycznych:

3

PMM Na podstawie przeprowadzonych rozwaĹźaĹ&#x201E; opracowano pakiet oprogramowania w Ĺ&#x203A;rodowisku programowym MATLAB. Przy asymetrycznie rozproszonych danych pomiarowych pakiet ten umoĹźliwia przeprowadzanie modelowania statystycznego niezbÄ&#x2122;dnego do wyznaczenia estymatora menzurandu proponowanÄ&#x2026; wielomianowÄ&#x2026; metodÄ&#x2026; PMM opartÄ&#x2026; na statystykach wyĹźszego rzÄ&#x2122;du i kumulantach. PodstawÄ&#x2026; algorytmu pakietu jest wiele eksperymentĂłw symulowanych metodÄ&#x2026; Monte Carlo.

UmoĹźliwia on analizÄ&#x2122; porĂłwnawczÄ&#x2026; dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ci róşnych algorytmĂłw estymacji statystycznej, a takĹźe zbadanie wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci probabilistycznych estymatorĂłw wielomianowych.

Otrzymywana empirycznie wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wspĂłĹ&#x201A;czynnika g (θ ) 2 Â&#x201D; 1 wg wzoru (12), wyraĹźa wzglÄ&#x2122;dne zmniejszenie wariancji estymatora i moĹźe stanowiÄ&#x2021; kryterium porĂłwnawcze skutecznoĹ&#x203A;ci metody PMM w stosunku do sposobu wyznaczania niepewnoĹ&#x203A;ci typu A wg GUM. WspĂłĹ&#x201A;czynnik g (θ ) 2 oblicza siÄ&#x2122; na podstawie M-krotnych eksperymentĂłw symulacyjnych o tych samych poczÄ&#x2026;tkowych wartoĹ&#x203A;ciach obserwacji pomiarowych parametrĂłw modelu. Estymator wspĂłĹ&#x201A;czynnika gË&#x2020; (θ ) 2 tworzy siÄ&#x2122; jako stosunek empirycznie oszacowanych wariancji Ď&#x192;Ë&#x2020; (2θ ) 2 estymowanego parametru (obliczonych metodÄ&#x2026; PMM z wykorzystaniem wielomianu 2. stopnia) i wariancji Ď&#x192;Ë&#x2020; (2θ )1 liniowego estymatora tego parametru wg wzoru (6).

WiarygodnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wynikĂłw symulacji uzyskiwanych za pomocÄ&#x2026; algorytmĂłw estymacji statystycznej zaleĹźy od dwĂłch czynnikĂłw: â&#x2C6;&#x2019; liczby n elementĂłw wektora wejĹ&#x203A;ciowego, tj. wartoĹ&#x203A;ci obserwacji pomiarowych estymowanego parametru, â&#x2C6;&#x2019; liczby eksperymentĂłw M, przeprowadzanych z tymi samymi warunkami poczÄ&#x2026;tkowymi (wartoĹ&#x203A;ci skoĹ&#x203A;noĹ&#x203A;ci i kurtozy opisujÄ&#x2026;ce probabilistyczne wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci modelu).

Wykonano po M = 104 obliczeĹ&#x201E; metodÄ&#x2026; Monte Carlo dla kilku rodzajĂłw asymetrycznych rozkĹ&#x201A;adĂłw danych pomiarowych. Uzyskano z nich Ĺ&#x203A;rednie wartoĹ&#x203A;ci eksperymentalnego (tj. wyznaczo-

a)

b)

Ë&#x2020;3 m Ë&#x2020; 2 2 , ÎłË&#x2020;4 = (mË&#x2020; 4 mË&#x2020; 22 ) â&#x2C6;&#x2019; 3 ÎłË&#x2020;3 = m 3

(16)

Ë&#x2020; i â&#x20AC;&#x201C; moment centralny prĂłbki i-tego rzÄ&#x2122;du gdzie: m Ë&#x2020;i = m

1 k â&#x2C6;&#x2018; x â&#x2C6;&#x2019;x k v =1 v

(

)

i

(17)

Estymatory o postaciach (16) i (17) sÄ&#x2026; zgodne i asymptotycznie nieobciÄ&#x2026;Ĺźone. MetodÄ&#x2122; obliczania liczby k prĂłb treningowych niezbÄ&#x2122;dnych do uzyskania okreĹ&#x203A;lonej wartoĹ&#x203A;ci wzglÄ&#x2122;dnego bĹ&#x201A;Ä&#x2122;du oszacowania wspĂłĹ&#x201A;czynnikĂłw kumulanta g3 i g4 podano w [21].

Zestaw wynikĂłw uzyskanych metodÄ&#x2026; Monte Carlo podano w tabeli 2. Analiza danych przedstawionych w tej tabeli wykazuje zbieĹźnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; miÄ&#x2122;dzy wynikami obliczeĹ&#x201E; analitycznych i modelowaniem statystycznym. Wzrasta ona wraz z liczbÄ&#x2026; n elementĂłw prĂłbki.

W szczegĂłlnoĹ&#x203A;ci róşnica miÄ&#x2122;dzy eksperymentalnymi i teoretycznymi wartoĹ&#x203A;ciami wspĂłĹ&#x201A;czynnika redukcji wariancji gË&#x2020; (θ ) 2 maleje wraz ze wzrostem liczby elementĂłw prĂłbki (np. gdy n = 20 to róşnica ta nie przekracza 15%, a gdy n = 50 to róşnica ta jest juĹź mniejsza od 5%). Wyniki te potwierdzajÄ&#x2026; wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; asymptotycznÄ&#x2026; (4) dotyczÄ&#x2026;cÄ&#x2026; wartoĹ&#x203A;ci pozyskanej informacji o estymowanych parametrach. WzĂłr (3) umoĹźliwia uĹźycie tej informacji do wyznaczenia wariancji estymatorĂłw wielomianowÄ&#x2026; metody PMM jako rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; rĂłwnania ogĂłlnego (1).

PrzykĹ&#x201A;ady otrzymanych empirycznie metodÄ&#x2026; Monte Carlo oszacowaĹ&#x201E; Ĺ&#x203A;redniej arytmetycznej i jej niepewnoĹ&#x203A;ci typu A wg GUM [2] oraz estymatora wartoĹ&#x203A;ci menzurandu wedĹ&#x201A;ug metody PMM(2) i jego odchylenia standardowego (dla róşnych asymetrycznych rozkĹ&#x201A;adĂłw danych) â&#x20AC;&#x201C; rys. 2. PrzykĹ&#x201A;ady te dotyczÄ&#x2026; symulacji Monte Carlo o M = 104 eksperymentach i liczbie n = 50 danych obserwacji pomiarowych w prĂłbce. Na wykresach

c)

d)

Rys. 2. Wykresy pudeĹ&#x201A;kowe oszacowaĹ&#x201E; wartoĹ&#x203A;ci menzurandu otrzymanych empirycznie metodÄ&#x2026; Monte Carlo (M = 10 4) dla prĂłbki o n = 50 danych z populacji o rozkĹ&#x201A;adach: a) wykĹ&#x201A;adniczym; b) gamma (Îą = 2); c) log-normalnym; d) Weibulla Fig. 2. Box-plot graphs empirically obtained by Monte Carlo method (M = 104) estimators of measurand for sample with n = 50 data taked from population of asymmetric pdf-s: a) exponential; b) gamma (Îą = 2); c) log-normal; d) Weibull

53

C

! ! ! ! ! X% Y Tabela 2. Wyniki estymacji parametrĂłw uzyskane metodÄ&#x2026; Monte Carlo Table 2. Results of estimated parameters by Monte-Carlo simulation

Teoretyczne

Symulacje

wartoĹ&#x203A;ci parametrĂłw

Monte Carlo

RozkĹ&#x201A;ad

Gamma O D D 1 O x x e ,x>0 * D

f (x )

D D 1 ... D r 1

mr

g$ T

J3

J4

g T

D = 0,5

2,83

12

0,43

0,47

0,46

0,43

D=2

1,41

3

0,6

0,63

0,61

0,6

D=4

1

1,5

0,71

0,74

0,72

0,71

D=1

2

6

0,5

0,58

0,52

0,5

1

1,86

0,74

0,76

0,075

0,74

0,63

0,25

0,82

0,84

0,83

0,82

n = 20 n = 50 n = 200

Or

Exponential â&#x20AC;&#x201C; Gamma dla

D=1 Oe O x , x > 0

f(x)

r! O r

mr

Lognormal

1

f (x )

xV 2S

e

ln x P

2V

rP

x Â&#x2022; 0, mr

e

2

Ę?2 = 0,1

2

P=1

r 2V 2 2

Weibull b

b 1

f (x )

b §x ¡ ¨ ¸ a Ša š

e

§x ¡ ¨¨ ¸¸ Ša š

a=1 b=2

§r ¡ a r* ¨ 1¸ Šb š

x > 0, m r

Tabela 3. Wyniki badania adekwatnoĹ&#x203A;ci liniowego modelu rozkĹ&#x201A;adu (funkcja Gaussa, r = 1) i nieliniowego wielomianowego (r = 2), oszacowane wedĹ&#x201A;ug testu Lillieforsa Table 3. Results of testing the adequacy of the Gaussian distribution model for linear (r = 1) and polynomial (r = 2) estimates on the basis of Lilliefors test

Autorzy zachÄ&#x2122;cajÄ&#x2026; CzytelnikĂłw do samodzielnego sprawdzenia metodÄ&#x2026; Monte Carlo wynikĂłw estymacji PPM interesujÄ&#x2026;cych ich rozkĹ&#x201A;adĂłw asymetrycznych, innych niĹź podane w tabeli 2 i do opracowania szczegĂłĹ&#x201A;owych wnioskĂłw o zbadanych rozkĹ&#x201A;adach.

Innym waĹźnym rezultatem modelowania statystycznego jest sprawdzenie zaĹ&#x201A;oĹźenia, Ĺźe wraz ze wzrostem liczby n pozyskanych danych rozkĹ&#x201A;ady estymatorĂłw parametrĂłw wielkoĹ&#x203A;ci mierzonej q, obliczone metodÄ&#x2026; PMM wedĹ&#x201A;ug wzoru (11), dÄ&#x2026;ĹźÄ&#x2026; asymptotycznie do funkcji Gaussa. PoprawnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; tej hipotezy dla estymatorĂłw wyznaczanych metodÄ&#x2026; wielomianowÄ&#x2026; PMM zbadano za pomocÄ&#x2026; testu Lillieforsa opartego na statystyce KoĹ&#x201A;mogorowa-Smirnowa [22].

Test ten jest wbudowany w oprogramowanie MATLAB. W tabeli 3 przedstawiono wyniki badania w postaci testu Lillieforsa. LSTAT â&#x20AC;&#x201C; to wartoĹ&#x203A;ci prĂłbki badanej statystycznie, CV â&#x20AC;&#x201C; krytyczna

Parametery wyjĹ&#x203A;ciowe testu Lillieforsa LSTAT

RozkĹ&#x201A;ad

n = 20 r=1

n = 50

r=2

r=1

r=1

r=2

Gamma

D = 0,5

0,045

0,036

0,028

0,021

0,018

0,009

Exponential

D=1

0,034

0,027

0,023

0,013

0,011

0,008

D=2

0,021

0,017

0,013

0,012

0,009 0,007

D=4

0,02

0,017

0,012

0,011

0,008 0,007

Lognormal

Ę?2 = 0,1, Âľ = 1

0,016

0,014

0,012

0,011

0,008 0,007

Weibull

a = 1, b = 2

0,013

0,017

0,011

0,011

0,006 0,004

Gamma

CV

n = 200

r=2

0,009

typu pudeĹ&#x201A;kowego (ang. box-plot), pole w Ĺ&#x203A;rodkowej czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci zawiera 50% przedziaĹ&#x201A;u ufnoĹ&#x203A;ci estymatora, a oznaczenia dolnej i gĂłrnej granicy odpowiadajÄ&#x2026; 2,5% i 97,5%.

Wykresy te potwierdzajÄ&#x2026;, Ĺźe metodÄ&#x2026; PMM uzyska siÄ&#x2122; lepszy rezultat niĹź metodÄ&#x2026; klasycznÄ&#x2026; wg zaleceĹ&#x201E; GUM, gdyĹź nawet dla maĹ&#x201A;ych prĂłbek o n = 20, g (θ )2 < 1 , czyli ich wariancje sÄ&#x2026; istotnie mniejsze.

54

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

Zygmunt Lech Warsza, Serhii Zabolotnii

wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; statystyki testu. JeĹźeli LSTAT < CV, to hipoteza zerowa jest waĹźna przy zadanym poziomie krytycznym.

Wyniki przedstawione w tabeli 3 uzyskano wykonujÄ&#x2026;c M = 104 eksperymentĂłw statystycznych MC dla kaĹźdego z kilku podstawowych asymetrycznych rozkĹ&#x201A;adĂłw populacji danych pomiarowych i róşnej liczby danych n prĂłbki x oraz przy staĹ&#x201A;ym poziomie istotnoĹ&#x203A;ci a0 = 0,05 hipotezy zerowej (rozkĹ&#x201A;ad Gaussa).

PrzyjÄ&#x2122;te kryterium CV = 0,009 speĹ&#x201A;niajÄ&#x2026; tylko nieliczne pogrubione w tabeli 3 wyniki dla liczby danych w prĂłbce n = 200.

Dla mniejszych n nie moĹźna rozrzutu wartoĹ&#x203A;ci estymatorĂłw menzurandu traktowaÄ&#x2021; jako podlegajÄ&#x2026;cego rozkĹ&#x201A;adowi Gaussa.

Wyznaczanie estymatora wariancji menzurandu metodÄ&#x2026; wielomianowÄ&#x2026; PMM stopnia r naleĹźy poprzedziÄ&#x2021; podanym w punkcie 4 unormowaniem oryginalnych danych pomiarowych, by otrzymaÄ&#x2021; prĂłbkÄ&#x2122; x. Do oszacowania niepewnoĹ&#x203A;ci rozszerzonej wyniku pomiarĂłw na podstawie wyraĹźeĹ&#x201E; analitycznych dla wariancji, np. takich jak otrzymane w punkcie 5 dla r = 2, potrzebna jest informacja a priori o rodzaju rozkĹ&#x201A;adĂłw dla okreĹ&#x203A;lonej liczby wspĂłĹ&#x201A;czynnikĂłw kumulanta opisujÄ&#x2026;cych jej wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci probabilistyczne. Nie natrafiliĹ&#x203A;my jeszcze w literaturze na zaleĹźnoĹ&#x203A;ci analityczne wspĂłĹ&#x201A;czynnikĂłw rozszerzenia niepewnoĹ&#x203A;ci standardowej dla róşnych parametrĂłw rozkĹ&#x201A;adĂłw niegaussowskich i przy róşnej liczbie danych n. Dla okreĹ&#x203A;lonego rozkĹ&#x201A;adu i maĹ&#x201A;ej liczby danych n prĂłbki moĹźna je wyznaczaÄ&#x2021; numerycznie metodÄ&#x2026; MC. Jedynie dla duĹźych n moĹźna przyjÄ&#x2026;Ä&#x2021;, Ĺźe sÄ&#x2026; to rozkĹ&#x201A;ady normalne.

Warto teĹź zauwaĹźyÄ&#x2021;, Ĺźe addytywne wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci funkcji opisujÄ&#x2026;cej kumulanty umoĹźliwiajÄ&#x2026; w prosty sposĂłb uwzglÄ&#x2122;dniaÄ&#x2021; skĹ&#x201A;adowe niepewnoĹ&#x203A;ci generowane przez wiele ĹşrĂłdeĹ&#x201A; i o róşnych wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ciach probabilistycznych.

Â&#x20AC;

Ĺ Ä&#x2026;czna analiza wynikĂłw rozwaĹźaĹ&#x201E; teoretycznych i eksperymentĂłw statystycznych umoĹźliwia sformuĹ&#x201A;owanie ogĂłlnego wniosku o moĹźliwoĹ&#x203A;ci wykorzystania narzÄ&#x2122;dzia matematycznego zaproponowanego przez Kunchenko, czyli metody maksymalizacji wielomianĂłw stochastycznych o akronimie PPM z opisem za pomocÄ&#x2026; kumulantĂłw. MetodÄ&#x2122; tÄ&#x2122; moĹźna uĹźyÄ&#x2021; w konstruowaniu algorytmĂłw do wyznaczania nieliniowych estymatorĂłw wartoĹ&#x203A;ci i niepewnoĹ&#x203A;ci menzurandu dla danych pomiarowych rozproszonych losowo zarĂłwno symetrycznie [23, 24], jak i asymetrycznie oraz opisanych modelem niegaussowskim.

OmĂłwione w tej pracy badania metodÄ&#x2026; Monte Carlo wykazaĹ&#x201A;y w szczegĂłlnoĹ&#x203A;ci, Ĺźe estymacja parametrĂłw menzurandu na podstawie danych prĂłbki z rozkĹ&#x201A;adu asymetrycznego, juĹź przy zastosowaniu wielomianu stopnia r = 2 daje wiÄ&#x2122;kszÄ&#x2026; dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; (mniejszÄ&#x2026; wariancjÄ&#x2122;) niĹź estymacja liniowa zalecana w GUM [2], tj. wyznaczanie Ĺ&#x203A;redniej arytmetycznej i jej niepewnoĹ&#x203A;ci typu A. ZwiÄ&#x2122;kszenie dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ci, czyli zmniejszenie wariancji i niepewnoĹ&#x203A;ci standardowej estymatorĂłw osiÄ&#x2026;gniÄ&#x2122;to dla niegaussowskich niesymetrycznych rozkĹ&#x201A;adĂłw danych pomiarowych przez wykorzystanie dodatkowej informacji o ich wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ciach w postaci kumulantĂłw rzÄ&#x2122;dĂłw r > 2. Informacja ta zaleĹźy od wartoĹ&#x203A;ci i liczby kumulantĂłw branych pod uwagÄ&#x2122;. W tej pracy wyraĹźono jÄ&#x2026; przez bezwzglÄ&#x2122;dne wartoĹ&#x203A;ci wspĂłĹ&#x201A;czynnikĂłw kumulantĂłw skoĹ&#x203A;noĹ&#x203A;ci i kurtozy. Takie szacowanie wydaje siÄ&#x2122; o wiele prostsze w porĂłwnaniu do wyboru rodzaju rozkĹ&#x201A;adu i wyznaczenia parametrĂłw jego funkcji dla danej prĂłbki o rozproszonych danych pomiarowych. To postÄ&#x2122;powanie oraz sprawdzenia adekwatnoĹ&#x203A;ci obu wyborĂłw jest jednak niezbÄ&#x2122;dne do oszacowania niepewnoĹ&#x203A;ci. Ponadto dla maĹ&#x201A;ych i nawet Ĺ&#x203A;rednich prĂłbek (n < 150) nie moĹźna jednoznacznie dokonaÄ&#x2021; najlepszego wyboru rozkĹ&#x201A;adu.

WĹ&#x203A;rĂłd wielu moĹźliwych kierunkĂłw dalszych badaĹ&#x201E;, jako priorytetowe naleĹźy wymieniÄ&#x2021; nastÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;ce zadania: â&#x2C6;&#x2019; zwiÄ&#x2122;kszenie stopnia wielomianu stochastycznego, gdy trzeba uzyskaÄ&#x2021; bardziej skuteczne rozwiÄ&#x2026;zania;

â&#x2C6;&#x2019; analiza wpĹ&#x201A;ywu dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ci kumulantĂłw rozkĹ&#x201A;adu niegaussowskiego na stabilnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wielomianowej estymacji parametrĂłw menzurandu; â&#x2C6;&#x2019; synteza i analiza wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;ci rekurencyjnych algorytmĂłw dla estymacji wielomianowÄ&#x2026; metodÄ&#x2026; PMM parametrĂłw menzurandĂłw wektorowych.

X & 1. Novickij P.V., Zograf I.A., ʽcenka pogreshnostiej resultatov izmierenii (Estimation of the measurement result errors), Energoatomizdat, Leningrad,1991 (in Russian).

2. Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, GUM (2008) with Supplement 1 Evaluation of measurement data â&#x20AC;&#x201C; Propagation of distributions using a Monte Carlo method., JCGM 101: 2008. OIML Geneva, Switzerland.

3. Doksum K., Measures of Location and Asymmetry. â&#x20AC;&#x153;Scandinavian Journal of Statisticsâ&#x20AC;?, Vol. 2, No. 1, 1975, 11â&#x20AC;&#x201C;2 2.

4. Schmelling M., Averaging Measurements with Hidden Correlations and Asymmetric Errors, MPI, 1(1), 2000, [http:// arxiv.org/abs/hep-ex/0006004].

5. Barlow R., Asymmetric Statistical Errors, â&#x20AC;&#x153;arXivâ&#x20AC;?, 2004, [http://arxiv.org/abs/physics/0406120].

6. Danilov A.A., Shumarova S.A., On the asymmetry of the probability density function of the error of the results of measurements obtained by means of the complex measurement channels of measurement systems, â&#x20AC;&#x153;Measurement Techniquesâ&#x20AC;?, Vol. 55, No. 11, 2013), 1316â&#x20AC;&#x201C;1318.

DOI: 10.1007/s11018-013-0127-z.

7. Bich W., Cox M., Michotte C., Towards a new GUM-an update. â&#x20AC;&#x153;Metrologiaâ&#x20AC;?, Vol. 53, No. 5, 2016, 149â&#x20AC;&#x201C;159.

8. Cox M., Shirono K., Informative Bayesian type A uncertainty evaluation, especially applicable to a small number of observations. â&#x20AC;&#x153;Metrologiaâ&#x20AC;?, Vol. 54, No. 5, 2017, 642â&#x20AC;&#x201C;652.

9. Levin S.F., The Identification of Probability Distributions. â&#x20AC;&#x153;Measurement Techniquesâ&#x20AC;?, Vol. 48, No. 2, 2005, 101â&#x20AC;&#x201C;111, DOI: 10.1007/s11018-005-0106-0.

10. Casella G., Berger R.L., Statistical inference. Pacific Grove, CA: Duxbury 2002.

11. Galovska M., Warsza Z.L., The ways of effective estimation of measurand. â&#x20AC;&#x153;Pomiary Automatyka Komputery w Gospodarce i Ochronie Ĺ&#x161;rodowiskaâ&#x20AC;?, Nr 1, 2010, 33â&#x20AC;&#x201C;41.

12. Täubert P., Abschätzung der Genauigkeit von Messergebnissen. Verlag Technik, 1987.

13. Kuznetsov B.F., Borodkin D.K., Lebedeva L.V., Cumulant models of additional errors. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. â&#x20AC;&#x153;Modelirovanieâ&#x20AC;?, No. 1 (37), 2013, 134â&#x20AC;&#x201C;138.

14. De Carlo L.T., On the meaning and use of kurtosis. â&#x20AC;&#x153;Psychological methodsâ&#x20AC;?, Vol. 2, No. 3, 1997, 292â&#x20AC;&#x201C;307.

DOI: 10.1037/1082-989X.2.3.292.

15. Kunchenko Y., Polynomial Parameter Estimations of Close to Gaussian Random variables. Germany, Aachen: Shaker Verlag 2002.

16. Kunchenko Y., Stochastic polynomials, Kiev: Nauk. dumka, 275. 2006, (in Russian).

17. Chertov O., Slipets T., Kunchenkoâ&#x20AC;&#x2122;s polynomials for template matching, 18th IEEE International Conference on Systems, Signals and Image Processing (IWSSIP), Sarajevo, 16â&#x20AC;&#x201C;18 June 2011.

18. Zabolotnii S.V., Warsza Z.L., Semi-parametric polynomial method for retrospective estimation of the change-point of parameters of Non-Gaussian sequences, Advanced Mathematical and Computational Tools in Metrology and Testing X. 2015, DOI: 10.1142/9789814678629_0048.

19. Zabolotnii S.W., Warsza Z.L., Semi-parametric polynomial modification of CUSUM algorithms for change-point detec-

55

C

! ! ! ! ! X% Y tion of non-Gaussian sequences. Electronic Proceedings of XXI IMEKO World Congress â&#x20AC;&#x153;Measurement in Research and Industryâ&#x20AC;? August 30,September 4, 2015, Prague, Czech Republic, 2088â&#x20AC;&#x201C;2091.

20. Palahin V., Juh J., Joint signal parameter estimation in Nonâ&#x20AC;&#x201C;Gaussian noise by the method of polynomial maximization, â&#x20AC;&#x153;Journal of Electrical Engineeringâ&#x20AC;?, Vol. 67, No. 3, 2016, 217â&#x20AC;&#x201C;221.

DOI: 10.1515/jee-2016-0031.

21. CramĂŠr H., Mathematical Methods of Statistics (PMS-9), Vol. 9, Princeton University Press. 2016.

22. Lilliefors H.W., On the Kolmogorov-Smirnov test for normality with mean and variance unknown. â&#x20AC;&#x153;Journal of the Ameri-

can Statistical Associationâ&#x20AC;?, Vol. 62, No. 318, 1967, 399â&#x20AC;&#x201C;402, DOI: 10.2307/2283970.

23. Warsza Z.L., Zabolotnii S.W., A polynomial estimation of measurand parameters for samples of non-Gaussian symmetrically distributed data. [in:] R. Szewczyk et all (eds.): Innovations in Automation, Robotics and Measurement Techniques.

Proccedings of Automation-2017. Series: Advances in Intelligent Systems and Computing, Vol. 550. Springer Int. l Publ.

AG 2017, 468â&#x20AC;&#x201C;480, DOI: 10.1007/978-3-319-54042-9_45.

24. Warsza Z.L.,

rĂłw. Oficyna Wydawnicza PIAP, Warszawa 2016.

K " 0 " " 0 0 " "" E E " " U " " N QQO Abstract: The non-standard method for evaluating estimators of the value and uncertainty type A for measurement data sampled from asymmetrical distributed with a priori partial description (unknown PDF) is presented. This method of statistical estimation is based on the mathematical apparatus of stochastic polynomials maximization and uses the higher-order statistics (moment & cumulant description) of random variables. The analytical expressions for finding estimates and analyze their accuracy to the degree of the polynomial r = 2 are obtained. It is shown that the uncertainty of estimates received for polynomial is generally less than the uncertainty of estimates obtained based on the mean (arithmetic average) according international guide GUM. Reducing the uncertainty of measurement depends on the skewness and kurtosis. On the basis of the Monte Carlo method carried out statistical modelling. Their results confirm the effectiveness of the proposed approach.

Keywords0 " @H " " " ! !

2

2 ; ,- < $

Prof. Dr Tech. Sc., El. Eng. Serhii V. Zabolotnii

*+$6)=" % "

% E ) % %

# / K @ / *+A+ *+6- *+-&% G 8 K *+A.7*+6$ *++47*++A / *+6&7-& \ *+-&7*+-.

N = / < @ R " O C = @ G C > " 8 Q = H @ / *+-.7*+., > " " M 8 " " *+.$7*++,%

Q K P *++,7*++A R " *+.$7,&&,% CE = M " " 8 > @ " " M 8> % > ,A& E 6 " = 0 @ E ** M " , M % = < Q = = % @ >R > " Q = # %

56

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

# *+-$ % # % # / < "M 8 0 " P = # < @ = = *++A % @ N O "M 0 " @ " ,&&& % % N M S E @ O ,&*A % 7 / R @ P = # < = = G @ ,&&$ % ,&&$ % 0 P#< ,&*A % > E M *&& E * " = V - M %

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 22, Nr 1/2018, 57â&#x20AC;&#x201C;58, DOI: 10.14313/PAR_227/57

Q E " " " " " " " Igor Kurytnik / S "% "% / = 8 I 8 S % ( E = . $,@6&& C "

Zbigniew Juszkiewicz ; " " % % % % < * $4@6&& ; "

Streszczenie: W artykule przedstawiono model matematyczny termometru przemysĹ&#x201A;owego, zamontowanego w Ĺ&#x203A;cianie obiektu (np. rurociÄ&#x2026;g) i przeanalizowano metodyczne bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dy pomiaru temperatury spowodowane odprowadzaniem ciepĹ&#x201A;a wzdĹ&#x201A;uĹź osĹ&#x201A;ony termometru. )

0 " " " E " D

W procesach pomiarĂłw wysokiej temperatury metodami dotykowymi powstajÄ&#x2026; metodyczne bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dy spowodowane odprowadzeniem ciepĹ&#x201A;a wzdĹ&#x201A;uĹź osĹ&#x201A;ony termometru [1â&#x20AC;&#x201C;5]. OsĹ&#x201A;ony przemysĹ&#x201A;owych termometrĂłw zazwyczaj wykonane sÄ&#x2026; z ceramiki lub stali. PrzewodnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; cieplna stali (~45 W/mK) jest duĹźo wiÄ&#x2122;ksza niĹź ceramiki na bazie tlenku glinu Al2O3. W zwiÄ&#x2026;zku z tym w modelu (rys. 1) osĹ&#x201A;ona termometru przedstawiona jest w postaci jednorodnej rury stalowej o dĹ&#x201A;ugoĹ&#x203A;ci L, ktĂłrej jeden koniec zamocowano w Ĺ&#x203A;ciance rurociÄ&#x2026;gu. Temperatura miejsca zamocowania termometru uwaĹźana jest za rĂłwnÄ&#x2026; temperaturze Ĺ&#x203A;cianki ts, róşni siÄ&#x2122; ona od temperatury te elementu pomiarowego termometru (rezystor termometryczny lub spoina termopary umieszczony na koĹ&#x201E;cu termometru), jak rĂłwnieĹź od temperatury tg kontrolowanego Ĺ&#x203A;rodowiska w rurociÄ&#x2026;gu. ZaĹ&#x201A;oĹźono, Ĺźe w kaĹźdym przekroju zastosowanego modelu rozkĹ&#x201A;ad temperatur jest rĂłwnomierny i temperatura zmienia siÄ&#x2122; tylko wzdĹ&#x201A;uĹź osi termometru.

RĂłwnanie, ktĂłre opisuje zmianÄ&#x2122; temperatury wzdĹ&#x201A;uĹź takiego idealnego termometru ma postaÄ&#x2021;:

( ( )) = n

d2 t x dx 2

gdzie:

n=

2

â&#x17D;Ą tg â&#x2C6;&#x2019; tx â&#x17D;¤ â&#x17D;Ł â&#x17D;Ś

Ď&#x20AC;Îąd = Îťs

Îą Îťâ&#x2039;&#x2026; δ

IloĹ&#x203A;Ä&#x2021; ciepĹ&#x201A;a, ktĂłra przechodzi przez dno osĹ&#x201A;ony (x = 0) zostaĹ&#x201A;a przyjÄ&#x2122;ta rĂłwna zero. W takim wypadku:

( )

dt x dx

(3)

=0 x =0

RozwiÄ&#x2026;zujÄ&#x2026;c rĂłwnanie (1) otrzymano:

( ) = cosh ( n â&#x2039;&#x2026; x ) â&#x2C6;&#x2019;t cosh ( n â&#x2039;&#x2026; l )

tg â&#x2C6;&#x2019; t x tg

(4)

s

Z tego wyraĹźenia przy x = 0 otrzymano wzĂłr dla obliczenia poprawki Î&#x201D;t = te â&#x20AC;&#x201C; tg (bĹ&#x201A;Ä&#x2026;d metodyczny Î&#x201D;m)

Î&#x201D;m = te â&#x2C6;&#x2019; tg =

tg â&#x2C6;&#x2019; ts

( )

cosh n â&#x2039;&#x2026; l

(5)

(1)

(2)

a â&#x20AC;&#x201C; wspĂłĹ&#x201A;czynnik przewodnoĹ&#x203A;ci cieplnej ze Ĺ&#x203A;rodowiska do czuĹ&#x201A;ego elementu pomiarowego (termometrycznego rezystora lub spoiny termopary)[W/mK], l â&#x20AC;&#x201C; wspĂłĹ&#x201A;czynnik przewodnoĹ&#x203A;ci cieplnej materiaĹ&#x201A;u osĹ&#x201A;ony termometru [W/mK], s â&#x20AC;&#x201C; powierzchnia poprzecznego ciÄ&#x2122;cia osĹ&#x201A;ony: s = pdd, gdzie d â&#x20AC;&#x201C; gruboĹ&#x203A;Ä&#x2021; Ĺ&#x203A;cianki osĹ&#x201A;ony)[m2], d â&#x20AC;&#x201C; Ĺ&#x203A;rednica osĹ&#x201A;ony termometru [m].

$

' 0 8= ( = % ) @ "% % $

,-%&*%,&*. % &A%&$%,&*. %

! "" # $%&

Rys. 1. Schemat zamontowania termometru w Ĺ&#x203A;ciance rurociÄ&#x2026;gu i rozkĹ&#x201A;ad temperatury wzdĹ&#x201A;uĹź jego osĹ&#x201A;ony Fig. 1. Diagram of mounting the thermometer in the pipeline wall and temperature distribution along thermowell

57

! $ B!

1. Przy prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci powietrza 4 m/s i gĹ&#x201A;Ä&#x2122;bokoĹ&#x203A;ciach zanurzenia L = 350 mm oraz 650 mm, bĹ&#x201A;Ä&#x2026;d metodyczny wynosi odpowiednio (â&#x20AC;&#x201C;0,2 °C i â&#x20AC;&#x201C;0,006 °C).

2. Przy prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci powietrza 10 m/s i tych samych gĹ&#x201A;Ä&#x2122;bokoĹ&#x203A;ciach zanurzenia wartoĹ&#x203A;ci bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dĂłw sÄ&#x2026; znikome (â&#x20AC;&#x201C;0,02 °C i â&#x20AC;&#x201C;0,00007 °C).

Jednak w rurociÄ&#x2026;gu o duĹźych Ĺ&#x203A;rednicach trudno zabezpieczyÄ&#x2021; wymagane zanurzenie termometrĂłw. W praktyce termometr zanurza siÄ&#x2122; na gĹ&#x201A;Ä&#x2122;bokoĹ&#x203A;Ä&#x2021; 10â&#x20AC;&#x201C;15 krotnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; Ĺ&#x203A;rednicy osĹ&#x201A;ony dla gazĂłw lub 5â&#x20AC;&#x201C;10 krotnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; Ĺ&#x203A;rednicy osĹ&#x201A;ony dla cieczy. W rurociÄ&#x2026;gach o maĹ&#x201A;ych Ĺ&#x203A;rednicach (ø50â&#x20AC;&#x201C;100 mm i mniej) naleĹźy montowaÄ&#x2021; termometry pod kÄ&#x2026;tem (rys. 2c) lub na kolanie rurociÄ&#x2026;gu (rys. 2a).

Warto pamiÄ&#x2122;taÄ&#x2021;, Ĺźe wspĂłĹ&#x201A;czynnik wymiany ciepĹ&#x201A;a jest wiÄ&#x2122;kszy przy poprzecznym (rys. 2b) omywaniu termometra, niĹź przy kÄ&#x2026;towym (rys. 2c) lub wzdĹ&#x201A;uĹźnym (rys. 2a).

Warunki przy pomiarach temperatury pĹ&#x201A;ynĂłw sÄ&#x2026; lepsze, poniewaĹź wspĂłĹ&#x201A;czynnik ciepĹ&#x201A;a przewodnoĹ&#x203A;ci dla pĹ&#x201A;ynĂłw jest wiÄ&#x2122;kszy niĹź powietrza: wody â&#x20AC;&#x201C; 0,6 W/mK, powietrza â&#x20AC;&#x201C; 0,022 W/mK. Przedstawione rozwaĹźania wskazujÄ&#x2026;, Ĺźe przy prawidĹ&#x201A;owym montaĹźu termometrĂłw bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dy metodyczne sÄ&#x2026; pomijalne.

Rys. 2. PrzykĹ&#x201A;ady montaĹźu termometru Fig. 2. Examples of thermometer mounting

Temperatura termometru przy x = 0 moĹźe byÄ&#x2021; z niektĂłrym przybliĹźeniem rĂłwna temperaturze spoiny termopary. Przy pomiarach temperatury rezystancyjnymi czujnikami z powodu doĹ&#x203A;Ä&#x2021; znacznych rozmiarĂłw elementĂłw Ĺ&#x203A;rednia temperatura elementu te bÄ&#x2122;dzie mniejsza od temperatury czujnika. Przy dĹ&#x201A;ugoĹ&#x203A;ci rezystora lr metodyczny bĹ&#x201A;Ä&#x2026;d Î&#x201D;m moĹźna obliczyÄ&#x2021; stosujÄ&#x2026;c wzĂłr:

Î&#x201D;m =

tg â&#x2C6;&#x2019; t0

( )

cosh n â&#x2039;&#x2026; l

â&#x2039;&#x2026;

(

sinh l â&#x2039;&#x2026; n â&#x2039;&#x2026; b lâ&#x2039;&#x2026;nâ&#x2039;&#x2026;b

)

X &

(6)

1. Lieneweg F. Handbuch der technischen Temperaturmessung.

Wydawnictwo â&#x20AC;&#x153;Fridrich Vieweg und Sohn Vezlagsgesellschaft mbHâ&#x20AC;?, Braunschweg 1976.

2. PreobraĹźenski W.P., Tieplotiechniczeskije izmiernienia i pribory. Wydawnictwo â&#x20AC;&#x17E;Energiaâ&#x20AC;?, Moskwa, 1978.

3. Bernhazd F., Technische Tempezaturmessung. Wydawnictwo â&#x20AC;&#x17E;Springer â&#x20AC;&#x201C; Verlagâ&#x20AC;?, Berlin 2012.

4. Leino R., Jak sprostowaÄ&#x2021; wyzwaniu poprawnego pomiaru temperatury. â&#x20AC;&#x17E;Control Engineering, Polskaâ&#x20AC;?, Nr 4, 2015, 72â&#x20AC;&#x201C;74.

5. Olejnik B.N., Ĺ azdina S.I., Ĺ azdin O.M., ĹťaguĹ&#x201A;Ĺ&#x201A;o O.M., Pribory i metody temperaturnych izmerenij. Wydawnictwo â&#x20AC;&#x17E;StandardĂłwâ&#x20AC;?, Moskwa 1987.

gdzie: t0 â&#x20AC;&#x201C; temperatura dna osĹ&#x201A;ony.

Dlatego, aby temperatura koĹ&#x201E;ca osĹ&#x201A;ony i elementu byĹ&#x201A;y jednakowe, w termometrach naleĹźy zabezpieczyÄ&#x2021; dobry cieplny kontakt elementu z osĹ&#x201A;onÄ&#x2026;.

Metodyczny bĹ&#x201A;Ä&#x2026;d pomiarĂłw, jak to widaÄ&#x2021; z rĂłwnania (6) moĹźe byÄ&#x2021; zmniejszony drogÄ&#x2026; podwyĹźszenia temperatury t0, (dlatego trzeba miejsce poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenia termometru ze Ĺ&#x203A;ciankÄ&#x2026; rurociÄ&#x2026;gu zaizolowaÄ&#x2021;) lub zwiÄ&#x2122;kszyÄ&#x2021; gĹ&#x201A;Ä&#x2122;bokoĹ&#x203A;Ä&#x2021; zanurzenia termometru.

Obliczenia [2] bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dĂłw pomiaru temperatury powietrza w rurociÄ&#x2026;gu rzÄ&#x2122;du 350 °C termometrem rezystancyjnym w stalowej osĹ&#x201A;onie o Ĺ&#x203A;rednicy 21 mm i gruboĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; Ĺ&#x203A;cianki 4 mm pokazaĹ&#x201A;y, Ĺźe:

Q 0 " " " = " " Abstract: The paper presents a mathematical model of an industrial thermometer installed in a building wall (e.g. pipeline) and analyzed a methodical errors of temperature measurement, caused by heat dissipation along the thermometerâ&#x20AC;&#x2122;s sheath.

Keywords0 " " " " !

2

$ !2

2 &,

-,

2 ;! ,

= % ) @ "% %

% ) " " %

0 / S C " N 8 S M ' O% MS " / > " K @ ; N*+6. %O% CE 7 *+-$ % E 7 *+.- % 0% 7 *++& % ' " ,A& M E @ 0 @ " @ " % > " 8 S @ # % R = ( " P " = @ V " ; " " %

>E / Q = @ ( C ,&&4 % I ; " " % % % 7 @ " M "@ " " %

58

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

% @ $ H E QMKPLaQKF + KK E Q?KGQO Â&#x152;a>FÂ&#x152; b\H& QG+QMgQg?%@ Â&#x2039;KKP?Â&#x152;a

Q S = E M M I MS = M

" " ;! ,

3

$

- 3 0 $ 3 0

%

3 0 $ %- 3

;

=

" 8 > " " M 8> > % ' " ,&, &,@4.6 /

Streszczenie: ChociaĹź pojÄ&#x2122;cie robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych zostaĹ&#x201A;o wprowadzone ponad 20 lat temu, to dopiero w ostatnim czasie przeĹźywa ono prawdziwy rozkwit. Dzieje siÄ&#x2122; tak gĹ&#x201A;Ăłwnie za sprawÄ&#x2026; wprowadzenia lekkich robotĂłw o niewielkim udĹşwigu, ktĂłre sÄ&#x2026; wyposaĹźone w funkcje zabezpieczenia zgodnie z obowiÄ&#x2026;zujÄ&#x2026;cymi normami. DziÄ&#x2122;ki temu urzÄ&#x2026;dzenia te mogÄ&#x2026; w bezpieczny sposĂłb wspĂłĹ&#x201A;pracowaÄ&#x2021; z czĹ&#x201A;owiekiem we wspĂłlnej przestrzeni roboczej. Tak teĹź sÄ&#x2026; reklamowane przez producentĂłw, ktĂłrzy wieszczÄ&#x2026; nowÄ&#x2026; erÄ&#x2122; robotyzacji. PotwierdzajÄ&#x2026; to liczne udane wdroĹźenia. Aplikacje te jednak koncentrujÄ&#x2026; siÄ&#x2122; na operacjach przemieszczania detali (material handling). Tymczasem statystycznie tego rodzaju wdroĹźenia stanowiÄ&#x2026; poĹ&#x201A;owÄ&#x2122; zastosowaĹ&#x201E; robotĂłw przemysĹ&#x201A;owych.

W artykule wskazano na inne obszary technologiczne i przedyskutowano moĹźliwoĹ&#x203A;ci i bariery zastosowania w nich robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych. )

0 $

$ L. $ : $

W rozwoju robotyki od lat moĹźna mĂłwiÄ&#x2021; o dwĂłch kierunkach.

Z jednej strony prĂłbuje siÄ&#x2122; budowaÄ&#x2021; urzÄ&#x2026;dzenia, ktĂłre zastÄ&#x2026;piÄ&#x2026; czĹ&#x201A;owieka. Z drugiej strony mamy koncepcje urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E;, ktĂłre bÄ&#x2122;dÄ&#x2026; pracowaĹ&#x201A;y razem z czĹ&#x201A;owiekiem. W poczÄ&#x2026;tkowym okresie (lata 60. XX w.) wysiĹ&#x201A;ki zespoĹ&#x201A;Ăłw badawczych skupiaĹ&#x201A;y siÄ&#x2122; przede wszystkim na przemysĹ&#x201A;owych zastosowaniach robotĂłw.

Takie teĹź byĹ&#x201A;y pierwsze wdroĹźenia [1]. Robotyzacja obejmowaĹ&#x201A;a gĹ&#x201A;Ăłwnie operacje technologiczne, przy realizacji ktĂłrych panowaĹ&#x201A;y trudne warunki pracy i czĹ&#x201A;owiek byĹ&#x201A; naraĹźony na dziaĹ&#x201A;anie czynnikĂłw szkodliwych (temperatura, haĹ&#x201A;as, promieniowanie, pyĹ&#x201A;y, opary). Dlatego teĹź jednym z priorytetĂłw projektantĂłw instalacji zrobotyzowanych byĹ&#x201A;o odsuniÄ&#x2122;cie czĹ&#x201A;owieka od obszaru zagroĹźeĹ&#x201E;. ZastÄ&#x2122;powaĹ&#x201A; go robot. Operator byĹ&#x201A; rĂłwnieĹź odizolowany od samego robota. Obszar roboczy robota byĹ&#x201A; zabezpieczony specjalnymi ogrodzeniami, wyposaĹźonymi w systemy sensoryczne, ktĂłre wykrywaĹ&#x201A;y wejĹ&#x203A;cie czĹ&#x201A;owieka, stwarzajÄ&#x2026;ce moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; jego kontaktu z robotem. Dla tej grupy robotĂłw opracowano szereg aktĂłw normalizacyjnych. ObejmujÄ&#x2026;

$

' 0 E = ) % $

&.%&*%,&*. % ,6%&,%,&*. %

! "" # $%&

one m.in. terminologiÄ&#x2122; [3], gdzie definicjÄ&#x2122; robota przemysĹ&#x201A;owego przyjÄ&#x2122;to jako: â&#x20AC;&#x17E;Automatycznie sterowany, reprogramowalny, uniwersalny manipulator, programowany w trzech lub wiÄ&#x2122;cej osiach, ktĂłry moĹźe byÄ&#x2021; urzÄ&#x2026;dzeniem zamocowanym na staĹ&#x201A;e albo mobilnym, przeznaczony do zastosowania w aplikacjach automatyki przemysĹ&#x201A;owejâ&#x20AC;?

W normie tej zaznaczono, Ĺźe robot przemysĹ&#x201A;owy zawiera: â&#x2C6;&#x2019; manipulator, wraz z napÄ&#x2122;dami â&#x2C6;&#x2019; ukĹ&#x201A;ad sterowania, wraz z panelem programowania i interfejsem komunikacyjnym (hardware i software).

I wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;nie sposĂłb komunikacji robota z czĹ&#x201A;owiekiem HRC (ang.

Human Robot Communication) byĹ&#x201A; cechÄ&#x2026;, ktĂłra od poczÄ&#x2026;tku wyróşniaĹ&#x201A;a roboty spoĹ&#x203A;rĂłd innych urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; zautomatyzowanego wytwarzania. W robotach przemysĹ&#x201A;owych najwaĹźniejszym zadaniem systemu HRC byĹ&#x201A;o umoĹźliwienie nauczenia robota jego zadania, a nastÄ&#x2122;pnie zarzÄ&#x2026;dzanie jego dziaĹ&#x201A;aniem i przekazywanie informacji o stanie pracy. Roboty przemysĹ&#x201A;owe od poczÄ&#x2026;tku byĹ&#x201A;y obsĹ&#x201A;ugiwane przez operatorĂłw o pewnej wiedzy, a przynajmniej doĹ&#x203A;wiadczeniu technicznym. InstalacjÄ&#x2026;, programowaniem, konserwacjÄ&#x2026; zajmowali siÄ&#x2122; na ogĂłĹ&#x201A; inĹźynierowie. BezpoĹ&#x203A;redniÄ&#x2026; obsĹ&#x201A;ugÄ&#x2026; na stanowiskach â&#x20AC;&#x201C; pracownicy produkcyjni, po odpowiednich przeszkoleniach. Poziom kompetencji technicznych operatorĂłw byĹ&#x201A; jednym z powodĂłw ograniczania zakresu informacji przekazywanych do/od robotĂłw. RĂłwnieĹź z tego powodu wystarczaĹ&#x201A;o stosowanie bardzo prostych metod i Ĺ&#x203A;rodkĂłw komunikacji.

Roboty przemysĹ&#x201A;owe byĹ&#x201A;y czÄ&#x2122;sto duĹźe, miaĹ&#x201A;y znaczny udĹşwig, nawet ponad 1000 kg oraz osiÄ&#x2026;gaĹ&#x201A;y duĹźe przyspieszenia i prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci ruchu. UrzÄ&#x2026;dzenia te stwarzaĹ&#x201A;y zagroĹźenie w przypadku

59

# ] ; ! $

# ;

+++

bezpoĹ&#x203A;redniego kontaktu z czĹ&#x201A;owiekiem. Dodatkowo roboty operowaĹ&#x201A;y z reguĹ&#x201A;y narzÄ&#x2122;dziem lub detalem obrabianym, ktĂłry nierzadko sam w sobie byĹ&#x201A; niebezpieczny (ostre krawÄ&#x2122;dzie, wysoka temperatura). Dlatego rĂłwnolegle z rozwojem konstrukcji i zastosowaĹ&#x201E; opracowano takĹźe róşnego rodzaju przepisy, zalecenia i normy zwiÄ&#x2026;zane z bezpieczeĹ&#x201E;stwem robotĂłw i systemĂłw zrobotyzowanych [6, 11, 12]. GeneralnÄ&#x2026; zasadÄ&#x2026;, ktĂłrÄ&#x2026; w nich stosowano, byĹ&#x201A;o odizolowanie czĹ&#x201A;owieka od robota, szczegĂłlnie gdy ten drugi jest w trybie pracy automatycznej.

Koncepcje wprowadzenia robotĂłw w Ĺ&#x203A;rodowisko czĹ&#x201A;owieka staĹ&#x201A;y siÄ&#x2122; realne dopiero w latach 80. XX w. [2]. WiÄ&#x2026;zaĹ&#x201A;o siÄ&#x2122; to gĹ&#x201A;Ăłwnie z rozwojem systemĂłw mobilnych, ktĂłre umoĹźliwiĹ&#x201A;y robotom przemieszczanie siÄ&#x2122;. PowstaĹ&#x201A;a osobna grupa robotĂłw, tzw. roboty usĹ&#x201A;ugowe. Granica miÄ&#x2122;dzy oboma grupami jest bardzo niewyraĹşna i wciÄ&#x2026;Ĺź trwajÄ&#x2026; dyskusje, na temat tego podziaĹ&#x201A;u.

W normie ISO dotyczÄ&#x2026;cej terminologii dopiero w wydaniu z 2012Â r. [3] zapisano definicjÄ&#x2122;, wedĹ&#x201A;ug ktĂłrej robot usĹ&#x201A;ugowy to: â&#x20AC;&#x17E;Robot, ktĂłry realizuje zadania poĹźyteczne dla czĹ&#x201A;owieka lub urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E;, wyĹ&#x201A;Ä&#x2026;czajÄ&#x2026;c aplikacje automatyki przemysĹ&#x201A;owejâ&#x20AC;?.

Od poczÄ&#x2026;tku zakĹ&#x201A;adano, Ĺźe roboty usĹ&#x201A;ugowe bÄ&#x2122;dÄ&#x2026; uĹźywane przez zwykĹ&#x201A;ych ludzi, ktĂłrzy nie majÄ&#x2026; przygotowania technicznego. JednoczeĹ&#x203A;nie zadania przewidywane do realizacji przez roboty usĹ&#x201A;ugowe, nakĹ&#x201A;adaĹ&#x201A;y wymagania przekazywania miÄ&#x2122;dzy nimi a ich operatorami/uĹźytkownikami znacznie bardziej róşnorodnych informacji, w znacznie wiÄ&#x2122;kszych iloĹ&#x203A;ciach. Roboty te z zaĹ&#x201A;oĹźenia pracujÄ&#x2026; w pobliĹźu ludzi, muszÄ&#x2026; wiÄ&#x2122;c od nich odbieraÄ&#x2021; i zwrotnie przekazywaÄ&#x2021; do nich informacje w czasie rzeczywistym. Roboty usĹ&#x201A;ugowe muszÄ&#x2026; teĹź byÄ&#x2021; bezpieczne w bezpoĹ&#x203A;rednim kontakcie z czĹ&#x201A;owiekiem, Ĺźeby nie stwarzaĹ&#x201A;y dla niego zagroĹźenia.

NiewÄ&#x2026;tpliwie dobre przyjÄ&#x2122;cie robotĂłw usĹ&#x201A;ugowych przez uĹźytkownikĂłw, szybki rozwĂłj tej grupy urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; i staĹ&#x201A;y wzrost wartoĹ&#x203A;ci sprzedaĹźy rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; komercyjnych, to wszystko miaĹ&#x201A;o wpĹ&#x201A;yw na podejmowane prĂłby przeniesienia niektĂłrych rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; na grunt robotyki przemysĹ&#x201A;owej. MoĹźna powiedzieÄ&#x2021;, Ĺźe rozwĂłj robotĂłw usĹ&#x201A;ugowych przyczyniĹ&#x201A; siÄ&#x2122; do powstania idei robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych z czĹ&#x201A;owiekiem w Ĺ&#x203A;rodowiskach przemysĹ&#x201A;owych.

# >

7 7 ' ,

dla urzÄ&#x2026;dzenia, nad ktĂłrym pracowano. ByĹ&#x201A;o to urzÄ&#x2026;dzenie wspomagajÄ&#x2026;ce czĹ&#x201A;owieka w przenoszeniu przedmiotĂłw, manipulowaniu nimi. SĹ&#x201A;owo â&#x20AC;&#x17E;Cobotâ&#x20AC;? wyszĹ&#x201A;o poza mury uczelni i zaczÄ&#x2122;Ĺ&#x201A;o zdobywaÄ&#x2021; popularnoĹ&#x203A;Ä&#x2021;. W tym czasie gazeta Wall Street Journal prowadziĹ&#x201A;a akcjÄ&#x2122; poszukiwania sĹ&#x201A;Ăłw, ktĂłre zrobiÄ&#x2026; karierÄ&#x2122; w niedalekiej przyszĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci (â&#x20AC;&#x17E;Words of Tomorrowâ&#x20AC;?). SĹ&#x201A;owo â&#x20AC;&#x17E;Cobotâ&#x20AC;? znalazĹ&#x201A;o siÄ&#x2122; na liĹ&#x203A;cie opublikowanej w wydaniu z 1 stycznia 2000 r., a student otrzymaĹ&#x201A; nagrodÄ&#x2122; w wysokoĹ&#x203A;ci 50 dolarĂłw.

W praktyce roboty wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;ce nie zawojowaĹ&#x201A;y rynku.

Wprawdzie nowym pomysĹ&#x201A;em zainteresowaĹ&#x201A;y siÄ&#x2122; duĹźe firmy z branĹźy motoryzacyjnej, m.in. Genral Motors i Ford sponsorowaĹ&#x201A;y badania prowadzone na Northwestern University. PowstaĹ&#x201A;y zespoĹ&#x201A;y zajmujÄ&#x2026;ce siÄ&#x2122; tÄ&#x2026; tematykÄ&#x2026; rĂłwnieĹź na innych uniwersytetach. Prace w tym obszarze byĹ&#x201A;y wspierane takĹźe przez amerykaĹ&#x201E;skie agencje federalne (np. NSF National Science Foundation). PojawiaĹ&#x201A;y siÄ&#x2122; nowe publikacje na konferencjach i w pismach zwiÄ&#x2026;zanych z robotykÄ&#x2026; [7, 8]. Roboty wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;ce znalazĹ&#x201A;y siÄ&#x2122; rĂłwnieĹź w obszarze zainteresowania organizacji naukowo-technicznych (np. RIA The Robotic Industries Association) i standaryzacyjnych. BrakowaĹ&#x201A;o jednak konkretnych produktĂłw komercyjnych. Sami wynalazcy prĂłbowali zmieniÄ&#x2021; ten stan, zakĹ&#x201A;adajÄ&#x2026;c firmÄ&#x2122; Cobotics. Jednak po kilku latach dziaĹ&#x201A;alnoĹ&#x203A;ci bez wiÄ&#x2122;kszych sukcesĂłw sprzedali przedsiÄ&#x2122;biorstwo znanemu producentowi narzÄ&#x2122;dzi, Stanley Assembly Technologies Inc. dzisiaj Ĺ&#x203A;ladem tamtych wydarzeĹ&#x201E; jest informacja na stronie Stanleyâ&#x20AC;&#x2122;a, zatytuĹ&#x201A;owana IAD Applications [9]. Ocalenie dla robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych przyszĹ&#x201A;o z Europy, a w roli ratownika wystÄ&#x2026;piĹ&#x201A;a firma Universal Robots, zaĹ&#x201A;oĹźona w 2005 r. w Danii [16]. Cztery lata później firma ta wprowadziĹ&#x201A;a na rynek model UR5 â&#x20AC;&#x201C; reklamujÄ&#x2026;c go jako pierwszego na Ĺ&#x203A;wiecie robota wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cego. MiaĹ&#x201A; on 6 stopni swobody, udĹşwig 5 kg oraz zasiÄ&#x2122;g roboczy 85 cm, przy masie caĹ&#x201A;kowitej 18 kg. ChociaĹź poczÄ&#x2026;tkowo moĹźna byĹ&#x201A;o spotkaÄ&#x2021; siÄ&#x2122; z wieloma sceptycznymi prognozami co do szans tej nowej inicjatywy, sukces rynkowy robotĂłw spod znaku UR szybko rozwiaĹ&#x201A; wszelkie wÄ&#x2026;tpliwoĹ&#x203A;ci. Robot zostaĹ&#x201A; bardzo dobrze przyjÄ&#x2122;ty, gĹ&#x201A;Ăłwnie przez maĹ&#x201A;e firmy. DuĹźy udziaĹ&#x201A; w tym poczÄ&#x2026;tkowym sukcesie miaĹ&#x201A;a na pewno cena, istotnie niĹźsza od standardowych robotĂłw przemysĹ&#x201A;owych o podobnych parametrach. Pierwsze produkty byĹ&#x201A;y sprzedawane w Danii i Niemczech, ale firma szybko rozszerzyĹ&#x201A;a swoja dziaĹ&#x201A;alnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; na pozostaĹ&#x201A;e kraje europejskie. WkrĂłtce UR wkroczyĹ&#x201A; na rynek

ChociaĹź idea robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych z czĹ&#x201A;owiekiem byĹ&#x201A;a obecna w technice, a zwĹ&#x201A;aszcza w sztuce (gĹ&#x201A;Ăłwnie literatura science-fiction, komiksy oraz filmy) od wielu lat, urzÄ&#x2026;dzenia te przez dĹ&#x201A;ugi czas nie byĹ&#x201A;y klasyfikowane jako osobna grupa, typ, rodzaj. JednoczeĹ&#x203A;nie w wielu oĹ&#x203A;rodkach naukowych i badawczych prowadzono prace nad nowymi rozwiÄ&#x2026;zaniami konstrukcyjnymi robotĂłw i urzÄ&#x2026;dzeĹ&#x201E; manipulacyjnych oraz ich zastosowaniem, uwzglÄ&#x2122;dniajÄ&#x2026;c aspekty techniczne, organizacyjne, a takĹźe kontaktu z czĹ&#x201A;owiekiem. NiektĂłre opracowania bardzo szybko znajdowaĹ&#x201A;y uznanie odbiorcĂłw przemysĹ&#x201A;owych i pojawiaĹ&#x201A;y siÄ&#x2122; na rynku w postaci oferty komercyjnej. PrzykĹ&#x201A;adem mogÄ&#x2026; byÄ&#x2021; roboty SCARA. Inne pozostawiaĹ&#x201A;y swĂłj Ĺ&#x203A;lad w raportach publikacjach, zgĹ&#x201A;oszeniach patentowych i czekaĹ&#x201A;y na lepsze czasy.

Do tej drugiej grupy moĹźna zaliczyÄ&#x2021; roboty wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;ce.

W 1997 r. J. Edward Colgate i Michael Peshkin, profesorowie uniwersytetu Northwestern (Evanston, w stanie Illinois, USA), zĹ&#x201A;oĹźyli wniosek patentowy na urzÄ&#x2026;dzenie o nazwie â&#x20AC;&#x153;Cobotâ&#x20AC;? [4].

WczeĹ&#x203A;niej pojawiĹ&#x201A;a siÄ&#x2122; publikacja prezentujÄ&#x2026;ca ogĂłlnÄ&#x2026; ideÄ&#x2122; rozwiÄ&#x2026;zania [5]. Przedstawiano je jako robotyczne urzÄ&#x2026;dzenie, ktĂłre manipuluje obiektami we wspĂłĹ&#x201A;pracy z operatorem, czĹ&#x201A;owiekiem.

Sam termin â&#x20AC;&#x17E;cobotâ&#x20AC;? zostaĹ&#x201A; zaproponowany po raz pierwszy przez praktykanta odbywajÄ&#x2026;cego w tym czasie w zespole wspomnianych profesorĂłw na Northwestern University staĹź postdoktorancki. Jego pomysĹ&#x201A; nowego okreĹ&#x203A;lenia byĹ&#x201A; odpowiedziÄ&#x2026; na konkurs ogĹ&#x201A;oszony w laboratorium, aby wymyĹ&#x203A;liÄ&#x2021; lepszÄ&#x2026; nazwÄ&#x2122;

Rys. 1. Stanowisko z robotem YuMiÂŽ â&#x20AC;&#x201C; IRB 14000 podczas targĂłw Automatica 2014 (fot. wĹ&#x201A;asna autorĂłw) Fig. 1. Assembly cell with YuMiÂŽ â&#x20AC;&#x201C; IRB 14000 robot, presented on the Automatica 2014 fair (own photo of the authors)

FG

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

/$ ; %

%

/ :

Rys. 2. Roboty UR pracujÄ&#x2026; obok ludzi, bez Ĺźadnych osĹ&#x201A;on Fig. 2. UR robots work next to people, without any guards

Rys. 3. Robot UR obsĹ&#x201A;ugujÄ&#x2026;cy maszynÄ&#x2122; obrĂłbczÄ&#x2026; Fig. 3. UR robot supporting a machining machine

chiĹ&#x201E;ski, a od 2012 r. jest obecny w USA. W tym samym roku miaĹ&#x201A;a miejsce premiera modelu UR10, oferujÄ&#x2026;cego udĹşwig 10 kg i zasiÄ&#x2122;g 130 cm. W 2015 r. Universal Robots wypuĹ&#x203A;ciĹ&#x201A;a UR3 â&#x20AC;&#x201C; swĂłj najlĹźejszy model, o udĹşwigu 3 kg. JednoczeĹ&#x203A;nie byĹ&#x201A; to pierwszy model zaprojektowany specjalnie z myĹ&#x203A;lÄ&#x2026; o wspĂłĹ&#x201A;pracy z czĹ&#x201A;owiekiem, gĹ&#x201A;Ăłwnie przy wykonywaniu zadaĹ&#x201E; dotyczÄ&#x2026;cych lekkiego montaĹźu. W Ĺ&#x203A;lad za DuĹ&#x201E;czykami wszyscy liczÄ&#x2026;cy siÄ&#x2122; producenci robotĂłw na Ĺ&#x203A;wiecie zaczÄ&#x2122;li prezentowaÄ&#x2021; swoje propozycje modeli przystosowanych do wspĂłĹ&#x201A;pracy z czĹ&#x201A;owiekiem.

Firma ABB opracowaĹ&#x201A;a dwuramiennego robota YuMi â&#x20AC;&#x201C; IRB 14000 [17] wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cego z czĹ&#x201A;owiekiem przeznaczonego do montaĹźu maĹ&#x201A;ych czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci (udĹşwig robota wynosi 500 gram).

Ramiona robota sÄ&#x2026; elastyczne, co umoĹźliwia ograniczenie moĹźliwoĹ&#x203A;ci powstania urazĂłw, przy kontakcie z czĹ&#x201A;owiekiem. ABB oferuje dodatkowo przeznaczony specjalnie dla tego robota system podajÄ&#x2026;cy czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci oraz system do lokalizacji czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci, wykorzystujÄ&#x2026;cy kamerÄ&#x2122; zintegrowanÄ&#x2026; z chwytakiem. Stanowisko z robotem YuMi jest prezentowane na róşnych targach i wystawach od dobrych kilku lat (rys. 1).

Z kolei KUKA oferuje lekkie roboty kolaborujÄ&#x2026;ce LBR iiwa (LBR to skrĂłt od â&#x20AC;&#x17E;Leichtbauroboterâ&#x20AC;? lekki robot przemysĹ&#x201A;owy) przeznaczone do prac montaĹźowych [18]. PosiadajÄ&#x2026; one czuĹ&#x201A;e czujniki momentu obrotowego we wszystkich siedmiu osiach.

Czujniki te pozwalajÄ&#x2026; na wykonanie najbardziej delikatnych zadaĹ&#x201E; montaĹźowych bez uszkodzenia elementĂłw. UmoĹźliwiajÄ&#x2026; wykrywanie kolizji ramienia robota z przeszkodÄ&#x2026;. DziÄ&#x2122;ki tym czujnikom moĹźliwe jest wodzenie robota za â&#x20AC;&#x17E;nadgarstekâ&#x20AC;?. Specjalne funkcje oprogramowania pozwalajÄ&#x2026; wykorzystaÄ&#x2021; ten tryb do programowania ruchĂłw robota. Na poczÄ&#x2026;tek dostÄ&#x2122;pne byĹ&#x201A;y dwie wersje o udĹşwigu wynoszÄ&#x2026;cym 7 kg i 14 kg oraz zasiÄ&#x2122;gu odpowiednio 800 mm i 820 mm.

FANUC [19] pierwszego robota wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cego zaprezentowaĹ&#x201A; w 2015 r. ByĹ&#x201A; to model CR-35iA, o udĹşwigu 35 kg. W pierwszej poĹ&#x201A;owie 2016 r. FANUC przedstawiĹ&#x201A; kolejny, mniejszy model robota wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cego â&#x20AC;&#x201C; CR-7iA o udĹşwigu 7 kg. Podobnie jak u poprzednika, jego manipulator jest malowany na charakterystyczny zielony kolor. W materiaĹ&#x201A;ach firmy FANUC moĹźna spotkaÄ&#x2021; od tego czasu okreĹ&#x203A;lenie â&#x20AC;&#x17E;zielony robot wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cyâ&#x20AC;?.

Swoje propozycje dla segmentu robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych prezentujÄ&#x2026; takĹźe inne duĹźe firmy, m.in. Yaskawa (Motoman), Comau, Kawasaki. Na rynku sÄ&#x2026; rĂłwnieĹź mniejsze, mĹ&#x201A;ode firmy.

PrzykĹ&#x201A;adem moĹźe byÄ&#x2021; Rethink Robotics [20]. Firma ta zaprezentowaĹ&#x201A;a w 2012 r. model Baxter â&#x20AC;&#x201C; jeden z pierwszych dwuramiennych robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych. Jego manipulator (ciaĹ&#x201A;o) skĹ&#x201A;ada siÄ&#x2122; z gĹ&#x201A;owy, korpusu (tuĹ&#x201A;owia) i dwĂłch ramion. Na gĹ&#x201A;owie robota znajduje siÄ&#x2122; sonar o zakresie skanowania 360° i kamera, ktĂłre sĹ&#x201A;uĹźÄ&#x2026; do wykrywania obiektĂłw, w tym ludzi wokĂłĹ&#x201A; robota.

KaĹźde z ramion ma 7 stopni swobody. MogÄ&#x2026; one pracowaÄ&#x2021;

w trybie automatycznym, wykonujÄ&#x2026;c zadany program uĹźytkowy, przy wykorzystaniu systemu wizyjnego lub w trybie sterowania rÄ&#x2122;cznego, za poĹ&#x203A;rednictwem panelu z zaimplementowanym interfejsem uĹźytkownika. W celu zwiÄ&#x2122;kszenia bezpieczeĹ&#x201E;stwa w przegubach robota sÄ&#x2026; zainstalowane czujniki siĹ&#x201A;/momentĂłw.

U 4

7 '

, , Problematyka wspĂłĹ&#x201A;pracy czĹ&#x201A;owieka i robota w Ĺ&#x203A;rodowisku przemysĹ&#x201A;owym od wielu lat jest przedmiotem prac róşnego rodzaju gremiĂłw zwiÄ&#x2026;zanych z opracowywaniem uregulowaĹ&#x201E; prawnych i standaryzacyjnych. W podstawowej normie dotyczÄ&#x2026;cej bezpieczeĹ&#x201E;stwa robotĂłw i systemĂłw zrobotyzowanych, ISO 10218 [11, 12], juĹź w wydaniu z 2006 r. pojawiĹ&#x201A;y siÄ&#x2122; wymagania odnoĹ&#x203A;nie zapewnienia bezpieczeĹ&#x201E;stwa pracy przy zastosowaniu robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych w warunkach przemysĹ&#x201A;owych. W roku 2009 r. niemiecki instytut bezpieczeĹ&#x201E;stwa i higieny pracy BGIA (Berufsgenossenschaftliches Institut fĂźr Arbeitsschutz, od 2010 r. IFA Institut fĂźr Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung) opublikowaĹ&#x201A; zalecenia odnoĹ&#x203A;nie projektowania stanowisk z robotami wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cymi [10]. Ostatnim waĹźnym dokumentem normalizacyjnym jest specyfikacja techniczna zawierajÄ&#x2026;ca ISO wskazĂłwki dotyczÄ&#x2026;ce instalacji i uĹźytkowania stanowisk z robotami, ktĂłre operujÄ&#x2026; we wspĂłlnej z ludĹşmi przestrzeni roboczej [13]. Prace standaryzacyjne w tym obszarze wciÄ&#x2026;Ĺź trwajÄ&#x2026;. Jest sporo do zrobienia, choÄ&#x2021;by w zakresie ujednolicenia dokumentĂłw. PrzykĹ&#x201A;adowo, definicja samego robota wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cego jest zarĂłwno w ISO 2018 [12], jak teĹź w normie terminologicznej [3]. I nie sÄ&#x2026; to sformuĹ&#x201A;owania identyczne.

O wadze, jakÄ&#x2026; miÄ&#x2122;dzynarodowa organizacja standaryzacyjna przywiÄ&#x2026;zuje do problemĂłw robotyki, w tym do bezpieczeĹ&#x201E;stwa w kontaktach czĹ&#x201A;owieka z robotem Ĺ&#x203A;wiadczy fakty, Ĺźe w 2016 r. ustanowiono nowy komitet techniczny ISO/TC299 [14] poĹ&#x203A;wiÄ&#x2122;cony wyĹ&#x201A;Ä&#x2026;cznie robotyce. Jest on obecnie odpowiedzialny za aktualnie prowadzone prace oraz inicjowanie nowych kierunkĂłw w obszarze robotyki

(

7 7 ' , WedĹ&#x201A;ug danych miÄ&#x2122;dzynarodowej organizacji obrotowej IFR [15] w 2013 r. okoĹ&#x201A;o 44% wszystkich robotĂłw zainstalowanych w przemyĹ&#x203A;le byĹ&#x201A;o zastosowanych do realizacji zadaĹ&#x201E; typu â&#x20AC;&#x17E;Material Handlingâ&#x20AC;?. Ta grupa obejmuje m.in. obsĹ&#x201A;ugÄ&#x2122; maszyn, pakowanie i paletyzacje, podawanie czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci typu pick-and-place. Kolejne 9% robotĂłw jest zatrudnionych przy operacjach montaĹźu i demontaĹźu. W sumie ponad poĹ&#x201A;owa robotĂłw w przemyĹ&#x203A;le wykonuje zadania polegajÄ&#x2026;ce na przemieszczaniu

FQ

# ] ; ! $

# ;

+++

Rys. 4. WspĂłĹ&#x201A;praca robota i czĹ&#x201A;owieka na stanowisku klejenia blokĂłw montaĹźowych Fig. 4. Cooperation between a robot and a human being in the position of gluing assembly blocks

Rys. 5. Robot LBR iiwa w Siemens Lead Factory (Bad Neustadt) pracuje ramiÄ&#x2122; w ramiÄ&#x2122; z pracownikiem Fig. 5. The LBR iiwa robot at Siemens Lead Factory (Bad Neustadt) works hand in hand with an employee

przedmiotĂłw i manipulowaniu nimi. RĂłwnieĹź roboty wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;ce sÄ&#x2026; wdraĹźane gĹ&#x201A;ownie w tego typu aplikacjach. NajwiÄ&#x2122;cej informacji o tych wdroĹźeniach moĹźna znaleĹşÄ&#x2021; na stronach internetowych firm oferujÄ&#x2026;cych roboty i ich integratorĂłw.

Firma Atria Scandinavia (Szwecja) jest jednym z wiodÄ&#x2026;cych pĂłĹ&#x201A;nocnoeuropejskich producentĂłw artykuĹ&#x201A;Ăłw dla wegetarian i smakoszy zdrowej ĹźywnoĹ&#x203A;ci przeznaczonych do sprzedaĹźy w maĹ&#x201A;ych sklepach i Ĺ&#x201A;aĹ&#x201E;cuchach sklepĂłw detalicznych potrzebujÄ&#x2026;cych caĹ&#x201A;odobowych dostaw. W jednym z jej oddziaĹ&#x201A;Ăłw, miÄ&#x2122;dzy okoĹ&#x201A;o 30-osobowÄ&#x2026; zaĹ&#x201A;ogÄ&#x2026; pracujÄ&#x2026; trzy roboty firmy Uniwersal Robots.

Roboty zainstalowano w dziale pakowania (rys. 2). Dwa modele UR5 oraz jeden UR10 sÄ&#x2026; wykorzystywane do paletyzacji i etykietowania. ZarzÄ&#x2026;d firmy podkreĹ&#x203A;la szybki czas zwrotu inwestycji. Z kolei pracownicy chwalÄ&#x2026; prostÄ&#x2026;, intuicyjnÄ&#x2026; obsĹ&#x201A;ugÄ&#x2122; i Ĺ&#x201A;atwe programowanie, co prowadzi do redukcja czasu potrzebnego na zmianÄ&#x2122; produkcji.

Firma BJ-Gear (Dania) jest Ĺ&#x203A;wiatowym liderem w produkcji kĂłĹ&#x201A; zÄ&#x2122;batych. W firmie wdroĹźono trzy roboty UR 5 (rys. 3).

SÄ&#x2026; one wykorzystywane do obsĹ&#x201A;ugi maszyn (tokarka, frezarka i pĹ&#x201A;uczkÄ&#x2122;), malowania pistoletem natryskowym, matrycowania kĂłĹ&#x201A; zÄ&#x2122;batych i stÄ&#x2122;piania ostrych krawÄ&#x2122;dzi. Dodatkowo wdroĹźono robota UR 10, ktĂłry jest wykorzystywany do automatyzacji procesĂłw wykorzystujÄ&#x2026;cych elementy robocze waĹźÄ&#x2026;ce ponad 5 kg. Zautomatyzowane rozwiÄ&#x2026;zania wpĹ&#x201A;ynÄ&#x2122;Ĺ&#x201A;y na zwiÄ&#x2122;kszenie produktywnoĹ&#x203A;ci i elastycznoĹ&#x203A;ci w firmie. DziÄ&#x2122;ki robotom odnotowano wzrost produkcji bez koniecznoĹ&#x203A;ci zatrudniania dodatkowych pracownikĂłw.

Firma Franke (Szwajcaria) jest znanym na caĹ&#x201A;ym Ĺ&#x203A;wiecie producentem mebli kuchennych. Wytwarza takĹźe ponad 10 000 rocznie róşnego typu zlewozmywakĂłw, ktĂłrych produkcjÄ&#x2122; zdecydowano zautomatyzowaÄ&#x2021;. W procesie produkcji, po wytĹ&#x201A;oczeniu aluminiowego zlewu po bokach klejone sÄ&#x2026; bloki montaĹźowe. Jest to zadanie powtarzalne, dla operatora nuĹźÄ&#x2026;ce i dlatego zostaĹ&#x201A;o wytypowane do robotyzacji. W aplikacji wykorzystano robota UR 5 (rys. 4). Operator zakĹ&#x201A;ada kolejne zlewy na stĂłĹ&#x201A; montaĹźowy. Robot pobiera bloki montaĹźowe, nakĹ&#x201A;ada klej i umieszcza je na Ĺ&#x203A;cianach zlewĂłw. Stanowisko umoĹźliwia bezpiecznÄ&#x2026;, elastycznÄ&#x2026; obsĹ&#x201A;ugÄ&#x2122; bez koniecznoĹ&#x203A;ci stosowania osĹ&#x201A;on, ekranĂłw, kurtyn. W efekcie automatyzacji uzyskano oszczÄ&#x2122;dnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; kleju i zmniejszenie liczby bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dĂłw podczas przytwierdzania blokĂłw montaĹźowych.

W miejscowoĹ&#x203A;ci Bad Neustadt an der Saale (Niemcy) znajduje siÄ&#x2122; fabryka Siemensa Lead Factory, w ktĂłrej powstajÄ&#x2026; silniki elektryczne (w tym takĹźe silniki elektryczne do robotĂłw firmy KUKA). Przy ich produkcji wykorzystywany jest lekki robot KUKA LBR iiwa, ktĂłry moĹźe ramiÄ&#x2122; w ramiÄ&#x2122; pracowaÄ&#x2021; z czĹ&#x201A;o-

wiekiem (rys. 5). Robot jest odpowiedzialny za chwytanie obrobionej juĹź czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci i skanowanie kodu kreskowego. Po oczyszczeniu powietrzem obrabianych elementĂłw robot doprowadza je do stanowiska pomiarowego. Tutaj stwierdzane sÄ&#x2026; ewentualne nieprawidĹ&#x201A;owoĹ&#x203A;ci. DziÄ&#x2122;ki technologii sieciowej na podstawie dokĹ&#x201A;adnego pomiaru i identyfikacji kaĹźdego podzespoĹ&#x201A;u moĹźna w razie potrzeby natychmiast obliczyÄ&#x2021; niezbÄ&#x2122;dnÄ&#x2026; korektÄ&#x2122; obrĂłbki i zrealizowaÄ&#x2021; jÄ&#x2026; w systemie. NastÄ&#x2122;pnie robot umieszcza dobrÄ&#x2026; czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; w skrzynce wyjĹ&#x203A;ciowej. CzÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci, ktĂłre muszÄ&#x2026; zostaÄ&#x2021; poprawione, trafiajÄ&#x2026; do stacji poĹ&#x203A;redniej, gdzie sÄ&#x2026; dokonywane korekty. Aplikacja jest elastyczna. W razie problemĂłw z robotem, w kaĹźdej chwili moĹźe go zastÄ&#x2026;piÄ&#x2021; pracownik i przejÄ&#x2026;Ä&#x2021; obsĹ&#x201A;ugÄ&#x2122;.

FK

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

[ A !

& ( E

7

7 ' , Jak wynika z dostÄ&#x2122;pnych informacji, roboty wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;ce sÄ&#x2026; dzisiaj stosowane gĹ&#x201A;Ăłwnie do automatyzacji zadaĹ&#x201E; zwiÄ&#x2026;zanych z przemieszczaniem przedmiotĂłw i manipulowaniem nimi. PotwierdzajÄ&#x2026; to przytoczone przykĹ&#x201A;ady aplikacji. Wprowadzanie robotĂłw do innych technologii jest dopiero przedmiotem badaĹ&#x201E;. WystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026; tu specyficzne ograniczenia wynikajÄ&#x2026;ce z samych procesĂłw. PrzykĹ&#x201A;adowo w spawalnictwie, ktĂłre zatrudnia dzisiaj ok. 30% robotĂłw, w pobliĹźu procesu panujÄ&#x2026; bardzo szkodliwe warunki dla czĹ&#x201A;owieka (haĹ&#x201A;as, promieniowanie, temperatura, opary, odpryski). Dlatego odsuniÄ&#x2122;cie operatora od procesu jest wielkim plusem jego robotyzacji.

Dodatkowo w praktyce wykonywania operacji spawalniczych przez ludzi, rzadko spotyka siÄ&#x2122; stanowiska wieloosobowe.

Trudno znaleĹşÄ&#x2021; miejsce takĹźe dla wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cego robota.

WidaÄ&#x2021;, Ĺźe duĹźÄ&#x2026; bariera w szerszym stosowaniu robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych jest komunikacja miÄ&#x2122;dzy czĹ&#x201A;owiekiem i robotem. Obecnie do komunikacji i bezpoĹ&#x203A;rednich interakcji w robotach przemysĹ&#x201A;owych najczÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ciej jest stosowane urzÄ&#x2026;dzenie typu panel programowania wykorzystujÄ&#x2026;ce interfejs graficzny. SpeĹ&#x201A;nia on dzisiejsze wymagania klasycznych zrobotyzowanych systemĂłw produkcyjnych. W robotach wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych koniecznym jest zastosowanie dodatkowego kanaĹ&#x201A;u komunikacji, wykorzystujÄ&#x2026;cego inny typ sygnaĹ&#x201A;u, dostosowany do procesu. W aplikacjach, gdzie nie ma duĹźego natÄ&#x2122;Ĺźenia haĹ&#x201A;asu moĹźe to byÄ&#x2021; komunikacja gĹ&#x201A;osowa. W innych przypadkach mogÄ&#x2026; byÄ&#x2021; wykorzystywane sygnaĹ&#x201A;y mechaniczne (szturchniÄ&#x2122;cie robota przez operatora), dodatkowe kanaĹ&#x201A;y optyczne (lampy sygnalizacyjne). Celem jest zapewnienie informowania czĹ&#x201A;owieka o stanie pracy robota (np. powiadomienie go A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

/$ ; %

%

/ :

o samym fakcie, Ĺźe znalazĹ&#x201A; siÄ&#x2122; w przestrzeni roboczej urzÄ&#x2026;dzenia). W druga stronÄ&#x2122; czĹ&#x201A;owiek musi mieÄ&#x2021; moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; poinformowania robota, Ĺźe jest w pobliĹźu niego lub wrÄ&#x2122;cz stoi na jego drodze. W pracach badawczych widaÄ&#x2021; wyraĹşnie tendencje zbliĹźania sposobu komunikowania siÄ&#x2122; ludzi bezpoĹ&#x203A;rednio z robotami przemysĹ&#x201A;owymi do komunikacji z robotami usĹ&#x201A;ugowymi. Wydaje siÄ&#x2122;, Ĺźe ostatecznie oba warianty bÄ&#x2122;dÄ&#x2026; dÄ&#x2026;ĹźyÄ&#x2021; do komunikacji typu czĹ&#x201A;owiek-czĹ&#x201A;owiek. Pierwszym krokiem w realizacji tej wizji jest doposaĹźenia robotĂłw pracujÄ&#x2026;cych w instalacjach przemysĹ&#x201A;owych, w wiÄ&#x2122;cej niĹź jeden zmysĹ&#x201A; i na jego bazie stworzenie wspomnianego dodatkowego kanaĹ&#x201A;u komunikacji.

Innym obserwowanym kierunkiem jest wykorzystanie nowoczesnych rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; z obszaru rzeczywistoĹ&#x203A;ci wirtualnej i rozszerzonej. Proponuje siÄ&#x2122; wyposaĹźenie ludzi pracujÄ&#x2026;cych w hali z robotami, ktĂłre nie sÄ&#x2026; otoczone ogrodzeniami, a czasem sÄ&#x2026; wrÄ&#x2122;cz mobilne, w specjalne okulary, na ktĂłrych bÄ&#x2122;dÄ&#x2026; wyĹ&#x203A;wietlane informacje, np. zwiÄ&#x2026;zane z bezpieczeĹ&#x201E;stwem. RozwiÄ&#x2026;zania takie na pewno mogÄ&#x2026; siÄ&#x2122; sprawdziÄ&#x2021; w warunkach, gdzie jest wysoki poziom haĹ&#x201A;asu i sygnalizacja dĹşwiÄ&#x2122;kowa nie jest skuteczna.

PodsumowujÄ&#x2026;c moĹźna stwierdziÄ&#x2021;, Ĺźe w temacie wprowadzenia robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych do praktyki zastosowaĹ&#x201E; przemysĹ&#x201A;owych jest wciÄ&#x2026;Ĺź wiele do zrobienia. Obecnie oferowane na rynku komercyjnym konstrukcje umoĹźliwiajÄ&#x2026; realizacje wybranych zadaĹ&#x201E;, gĹ&#x201A;Ăłwnie z obszaru â&#x20AC;&#x17E;material handlingâ&#x20AC;?. Instalacje te muszÄ&#x2026; speĹ&#x201A;niaÄ&#x2021; obowiÄ&#x2026;zujÄ&#x2026;ce obecnie wymagania w zakresie parametrĂłw technicznych, cech uĹźytkowych, jak teĹź warunkĂłw bezpiecznej pracy. PoniewaĹź tematyka robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych jest dzisiaj bardzo popularna w mediach, zarĂłwno za sprawÄ&#x2026; przedstawicieli sektora nauki i badaĹ&#x201E;, publicystĂłw, jak teĹź firm komercyjnych, traktujÄ&#x2026;cych fora dyskusji publicznej jako pola dziaĹ&#x201A;aĹ&#x201E; marketingowych, obecny lub przyszĹ&#x201A;y (potencjalny) uĹźytkownik tego typu rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; ma wielki kĹ&#x201A;opot z dotarciem do wiarygodnej informacji, podanej w przystÄ&#x2122;pny sposĂłb. Trudno oczekiwaÄ&#x2021;, Ĺźe przedsiÄ&#x2122;biorcy bÄ&#x2122;dÄ&#x2026; sami studiowali dokumenty normalizacyjne lub prawne w tej dziedzinie, z uwagi na ich mnogoĹ&#x203A;Ä&#x2021;, czÄ&#x2122;ste zmiany i utrudniony/kosztowny dostÄ&#x2122;p (dostÄ&#x2122;p do norm jest pĹ&#x201A;atny). Dlatego waĹźnÄ&#x2026; rolÄ&#x2026; jednostek badawczych, szczegĂłlnie pracujÄ&#x2026;cych na rzecz programĂłw finansowanych ze Ĺ&#x203A;rodkĂłw budĹźetowych, jest upowszechnianie rzetelnej wiedzy odnoĹ&#x203A;nie stanu uregulowaĹ&#x201E; prawnych i standaryzacyjnych oraz promowanie dobrych praktyk w caĹ&#x201A;ym temacie automatyzacji/robotyzacji, ze szczegĂłlnym uwzglÄ&#x2122;dnieniem robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych. Transfer do gospodarki innowacyjnych, efektywnych rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; z dziedziny â&#x20AC;&#x17E;collaborative robotsâ&#x20AC;?, zapewniajÄ&#x2026;cych bezpieczne warunki pracy, a jednoczeĹ&#x203A;nie umoĹźliwiajÄ&#x2026;cych poprawÄ&#x2122; konkurencyjnoĹ&#x203A;ci krajowych podmiotĂłw na rynkach globalnych jest jednym z celĂłw projektu â&#x20AC;&#x17E;Innowacyjne rozwiÄ&#x2026;zanie techniczne umoĹźliwiajÄ&#x2026;ce bezpieczne wspĂłĹ&#x201A;dziaĹ&#x201A;anie czĹ&#x201A;owieka z robotem przemysĹ&#x201A;owym w jego obszarze roboczymâ&#x20AC;? [21]. NiewÄ&#x2026;tpliwie moĹźna siÄ&#x2122; spodziewaÄ&#x2021; rewizji lub zmian niektĂłrych norm i przepisĂłw, jednak jest to proces dĹ&#x201A;ugotrwaĹ&#x201A;y i pĂłki nowe wersje czy caĹ&#x201A;e dokumenty nie zostanÄ&#x2026; przyjÄ&#x2122;te do naszego systemu prawodawstwa, ich stosowanie moĹźe byÄ&#x2021; co najwyĹźej przedmiotem dyskusji lub badaĹ&#x201E;.

.

6

X & 1. Springer Handbook of Robotics, Editors: Siciliano B., Khatib O., Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008.

2. Engelberger J.F., Robotics in Service, Cambridge, MA, MIT Press, 1989.

3. ISO 8373-2012 Robots and robotic devices â&#x20AC;&#x201C; vocabulary.

4. US patent 5,952,796 COBOTS. 5. Colgate J. E., Wannasuphoprasit W., Peshkin M., Cobots: Robots for Collaboration with Human Operators, Proceedings of the International Mechanical Engineering Congress and Exhibition, Atlanta, GA, DSC-Vol. 58, Nov. 17â&#x20AC;&#x201C;22, 1996, 433â&#x20AC;&#x201C;439.

6. Dyrektywa 2006/42/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 17 maja 2006 r. w sprawie ujednolicenia przepisĂłw dotyczÄ&#x2026;cych maszyn (Dyrektywa maszynowa MD, z ang. Machinery Directive).

7. Peshkin M., Colgate J.E.: Cobots, â&#x20AC;&#x153;Industrial Robotâ&#x20AC;?, Vol. 26, No. 5, 1999, 335â&#x20AC;&#x201C;341, DOI: 10.1108/01439919910283722.

8. Colgate J.E., Peshkin M., Klostermeyer S.H., Intelligent Assist Devices in Industrial Applications: A Review. Intelligent Robots and Systems (IROS) 2003, DOI: 10.1109/IROS.2003.1249248 9. IAD Applications â&#x20AC;&#x201C; Stanley Assembly Technologies Inc. [www.stanleyengineeredfastening.com/brands/stanley-assembly-technologies/solutions/material-handling/iad-applications] 10. BG/BGIA risk assessment recommendations according to machinery directive. Design of workplaces with collaborative robots. BGIA, Edition October 2009, revised February 2011.

11. ISO 10218-1:2011, Robots and robotic devices â&#x20AC;&#x201D; Safety requirements for industrial robots â&#x20AC;&#x201D; Part 1: Robots.

12. ISO 10218-2:2011, Robots and robotic devices â&#x20AC;&#x201D; Safety requirements for industrial robots â&#x20AC;&#x201D; Part 2: Robot systems and integration.

13. ISO/TS 15066:2016(E) Robots and robotic devices â&#x20AC;&#x201C; Collaborative robots.

14. Strona komitetu technicznego ISO/TC 299 Robotics â&#x20AC;&#x201C; [www.iso.org/committee/5915511/x/catalogue].

15. World Robotics 2014 Industrial Robots, published by the IFR Statistical Department, hosted by VDMA Robotics + Automation, Germany 2014, 16.

16. Strona internetowa firmy Universal Robots, www.universal-robots.com/pl/ 17. Strona internetowa firmy ABB - robot YuMi â&#x20AC;&#x201C; IRB 14000

[new.abb.com/products/robotics/pl/roboty-przemyslowe/yumi].

18. [www.kuka.com/pl-pl/produkty-i-usĹ&#x201A;ugi/systemy-robotĂłw/roboty-przemysĹ&#x201A;owe/lbr-iiwa] â&#x20AC;&#x201C; KUKA/roboty LBR iiwa.

19. [www.fanuc.eu/pl/pl/roboty/robot-strona-filtrowania/ roboty-wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;ce] â&#x20AC;&#x201C; Fanuc â&#x20AC;&#x201C; roboty wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;ce.

20. Rethink Robotics â&#x20AC;&#x201C; [www.rethinkrobotics.com].

21. Innowacyjne rozwiÄ&#x2026;zanie techniczne umoĹźliwiajÄ&#x2026;ce bezpieczne wspĂłĹ&#x201A;dziaĹ&#x201A;anie czĹ&#x201A;owieka z robotem przemysĹ&#x201A;owym w jego obszarze roboczym, [www.safe-collab-rob.piap.pl].

Opracowano na podstawie wynikĂłw IV etapu programu wieloletniego â&#x20AC;&#x17E;Poprawa bezpieczeĹ&#x201E;stwa i warunkĂłw pracyâ&#x20AC;?, finansowanego w latach 2017â&#x20AC;&#x201C;2019 w zakresie badaĹ&#x201E; naukowych i prac rozwojowych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa WyĹźszego/Narodowe Centrum BadaĹ&#x201E; i Rozwoju. Koordynator programu: Centralny Instytut Ochrony Pracy â&#x20AC;&#x201C; PaĹ&#x201E;stwowy Instytut Badawczy.

Fg

# ] ; ! $

# ;

+++

E 0 0 E ! E ! " 0 = = " " ! " Abstract: Although the concept of cooperating robots was introduced more than 20 years ago, it has only recently been experiencing a boom. This is mainly due to the introduction of lightweight robots with a small capacity, which are equipped with security features in accordance with applicable standards. As a result, these devices can safely work with a man in the shared workspace. So they are also advertised by producers who prophesy a new era of robotization. This is confirmed by numerous successful implementations. These applications, however, focus on the parts handling. Statistically, this type of deployment represent half of use of industrial robots. In the article other technological areas are pointed and possibilities and barriers of using cooperating robots in them were discussed.

Keywords: E ! E J " @R E "" 0 E

2 ;! ,

-,

2

$ 2

-

) %

" ) %

" = 8 > @ " " M 8> *+.4 % >E @ / " / K % > ?

M *&& E E " E % / M @

M ] @ > " R E ^% ( ?

M B_R $& M " % 4& M S @ N " E O% ( " < = (< A& % > " R E " (P% I @ = " M > " R E C; >R%%

> " E % 4&@

" E M " " E E @ % > M M S @ E I E E M % / M @

M @ ] > " R E ^%

-,

2 0 $

-,

2 0

%

" ) %

" ) %

/ 8> % " " M E M " 0 " " " % CE E E M MS@ M " @ % E = = " E M " %

>E / K = @ / > " @ R E % C *++. % @ " " = 8 > " " M 8> % 7 E @ " " E " @ = 8 < = " " @ " 4%& " A%&%

FM

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

/$ ; %

%

/ :

-,

2 0 $ %-

-,

2

;

=

" " ) %

) %

>E / K = @ / > @ " R E % C *++. % 8> " I I M " " @ E " E %

>E / K = @ / % CE @ " " = 8 > @ " " M 8> % 7 E " = I " @ @ =

M " 0 @ " %

FÂ&#x152;

E g?KGQ

FF

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

% @ $ H E QMKPLaQKF + KK E Q?KGQO FP>PM b\H& QG+QMgQg?%@ Â&#x2039;KKP?FP

B E " 7 E M Q

3 >

" 8 > " " M 8> > % ' " ,&, &,@4.6 /

%

W artykule przedstawiono problematykÄ&#x2122; robotyzacji maĹ&#x201A;ych i Ĺ&#x203A;rednich przedsiÄ&#x2122;biorstw produkcyjnych w Polsce, w szczegĂłlnoĹ&#x203A;ci z uwzglÄ&#x2122;dnieniem robotĂłw kooperacyjnych i kolaborujÄ&#x2026;cych. OmĂłwiono aktualne Ĺ&#x203A;wiatowe trendy rozwoju robotyki przemysĹ&#x201A;owej w tych wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;nie obszarach. JednoczeĹ&#x203A;nie podniesiono aspekt bezpieczeĹ&#x201E;stwa, jako najistotniejszego elementu bezpoĹ&#x203A;redniej interakcji czĹ&#x201A;owieka z robotem. Zaprezentowano zdobywajÄ&#x2026;ce coraz wiÄ&#x2122;kszÄ&#x2026; popularnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; kierunki wspĂłĹ&#x201A;pracy czĹ&#x201A;owieka i robota, ktĂłre sÄ&#x2026; w praktyce realizowane na stanowiskach produkcyjnych. Pierwszy z nich to kooperacja, rozumiana jako wspĂłĹ&#x201A;praca czĹ&#x201A;owieka z robotem, w wykonaniu niemal standardowym â&#x20AC;&#x201C; w wersji sterowania zwanej potocznie safety â&#x20AC;&#x201C; bez ogrodzeĹ&#x201E;. Z kolei drugi, to kolaboracja i pod tym pojÄ&#x2122;ciem rozumie siÄ&#x2122; wspĂłĹ&#x201A;pracÄ&#x2122; czĹ&#x201A;owieka â&#x20AC;&#x17E;ramiÄ&#x2122; w ramiÄ&#x2122;â&#x20AC;?, z robotem. )

0 $ !

$

Z%

$

$ $ !

$

Z%

$

$

1. Historia robotyki z punktu widzenia

Termin â&#x20AC;&#x17E;robotâ&#x20AC;? wywodzi siÄ&#x2122; z Czech. Po raz pierwszy tego okreĹ&#x203A;lenia uĹźyĹ&#x201A; w 1921 r. czeski pisarz Karel Ä&#x2C6;apek w sztuce Roboty uniwersalne Rossuma (R.U.R). PojÄ&#x2122;cie to okreĹ&#x203A;laĹ&#x201A;o maszynÄ&#x2122;â&#x20AC;&#x201C;niewolnika, ktĂłra zastÄ&#x2122;powaĹ&#x201A;a czĹ&#x201A;owieka w najbardziej uciÄ&#x2026;Ĺźliwych zajÄ&#x2122;ciach [1]. Z kolei sĹ&#x201A;owo â&#x20AC;&#x17E;robotykaâ&#x20AC;? po raz pierwszy zastosowaĹ&#x201A; w swoim opowiadaniu Zabawa w berka (ang. Runaround) rosyjski pisarz science fiction Isaac Assimov w 1942 r. On rĂłwnieĹź jest autorem trzech praw robotyki, wedĹ&#x201A;ug ktĂłrych powinny byÄ&#x2021; programowane roboty: â&#x2C6;&#x2019; Robot nie moĹźe zraniÄ&#x2021; istoty ludzkiej, ani nie moĹźe przez zaniedbanie naraziÄ&#x2021; czĹ&#x201A;owieka na zranienie. â&#x2C6;&#x2019; Robot musi speĹ&#x201A;niaÄ&#x2021; polecenia wydawane przez czĹ&#x201A;owieka, poza poleceniami sprzecznymi z prawami o wyĹźszym priorytecie. â&#x2C6;&#x2019; Robot musi chroniÄ&#x2021; samego siebie dopĂłki, dopĂłty nie jest to sprzeczne z prawem o wyĹźszym priorytecie [1].

$

' 0 Y / ) % $

*.%*,%,&*- % &+%&,%,&*. %

! "" # $%&

Nieco później ten sam autor okreĹ&#x203A;liĹ&#x201A; nadrzÄ&#x2122;dne prawo (prawo zerowe), wedĹ&#x201A;ug ktĂłrego robot nie moĹźe skrzywdziÄ&#x2021; ludzkoĹ&#x203A;ci, ani przez zaniechanie dziaĹ&#x201A;ania doprowadziÄ&#x2021; do uszczerbku ludzkoĹ&#x203A;ci.

Zasady, wedĹ&#x201A;ug ktĂłrych miaĹ&#x201A;y dziaĹ&#x201A;aÄ&#x2021; inteligentne roboty, powstaĹ&#x201A;y duĹźo wczeĹ&#x203A;niej zanim zostaĹ&#x201A;o skonstruowane pierwsze takie urzÄ&#x2026;dzenie. Dopiero w 1954 r. amerykaĹ&#x201E;ski konstruktor George Devol, przy wspĂłĹ&#x201A;pracy z Josephem Engelbergerem, stworzyĹ&#x201A; pierwszy egzemplarz programowanego robota, ktĂłry zostaĹ&#x201A; opatentowany dwa lata później. NastÄ&#x2122;pnie zaĹ&#x201A;oĹźyli oni firmÄ&#x2122; Unimation Incorporation, ktĂłra jako pierwsza zaczÄ&#x2122;Ĺ&#x201A;a produkowaÄ&#x2021; roboty przemysĹ&#x201A;owe. Pierwszy robot przemysĹ&#x201A;owy nosiĹ&#x201A; nazwÄ&#x2122; UNIMATE (od nazwy jego producenta â&#x20AC;&#x201C; firmy UNIMATION) i zostaĹ&#x201A; uruchomiony na linii produkcyjnej samochodĂłw w jednej z fabryk General Motors w 1961 r. Przyjmuje siÄ&#x2122;, Ĺźe to wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;nie wydarzenie z 1961 r. staĹ&#x201A;o siÄ&#x2122; poczÄ&#x2026;tkiem rozwoju robotyki jako dziedziny wiedzy [2].

Prawa wymyĹ&#x203A;lone przez Asimowa zakĹ&#x201A;adajÄ&#x2026;ce, iĹź robot bÄ&#x2122;dzie miaĹ&#x201A; prawa i bÄ&#x2122;dzie potrafiĹ&#x201A; podejmowaÄ&#x2021; decyzje, a tym bardziej przewidywaÄ&#x2021; skutki swoich dziaĹ&#x201A;aĹ&#x201E;, zostaĹ&#x201A;y przyjÄ&#x2122;te zanim pojawiĹ&#x201A; siÄ&#x2122; pierwszy robot. Na poczÄ&#x2026;tku byĹ&#x201A;y mocno krytykowane, mimo Ĺźe niosĹ&#x201A;y wyraĹşny przekaz, iĹź czĹ&#x201A;owiek jest w hierarchii duĹźo wyĹźej niĹź sam robot i bezpieczeĹ&#x201E;stwo czĹ&#x201A;owieka jest najwaĹźniejszym aspektem.

Dopiero w 2004 r. podczas targĂłw robotyki w Fukuoka w Japonii sformuĹ&#x201A;owano uwspĂłĹ&#x201A;czeĹ&#x203A;nione prawa robotyki: 1. Roboty nastÄ&#x2122;pnej generacji bÄ&#x2122;dÄ&#x2026; partnerami wspĂłĹ&#x201A;egzystujÄ&#x2026;cymi z istotami ludzkimi.

2. Roboty nastÄ&#x2122;pnej generacji bÄ&#x2122;dÄ&#x2026; pomagaÄ&#x2021; istotom ludzkim, zarĂłwno fizycznie jak i psychologicznie.

3. Roboty nastÄ&#x2122;pnej generacji bÄ&#x2122;dÄ&#x2026; wspĂłĹ&#x201A;uczestniczyÄ&#x2021; w tworzeniu bezpiecznej i pokojowej spoĹ&#x201A;ecznoĹ&#x203A;ci.

67

<

$ >

$ ! ] ! %

Rys. 1 PorĂłwnanie miejsca zajmowanego przez stanowisko w przypadku tradycyjnej celi oraz celi z kobotem. Na lewym rysunku, na pomaraĹ&#x201E;czowo i szaro zaznaczony jest obszar pracy robotĂłw, ktĂłry winien znajdowaÄ&#x2021; siÄ&#x2122; wewnÄ&#x2026;trz ogrodzonego stanowiska. Po prawej stronie ta sama instalacja z wykorzystaniem kobotĂłw Fig. 1. Required space for Coexistence and Cooperation/Collaboration. On the left picture (orange and gray), the robotâ&#x20AC;&#x2122;s work area is marked, which should be inside the fenced area. On the right the same installation with cobots

W XXI w. z uwagi na fakt, iĹź powstanie nowej generacji robotĂłw byĹ&#x201A;o juĹź tylko kwestiÄ&#x2026; czasu, zaczÄ&#x2122;to powaĹźnie myĹ&#x203A;leÄ&#x2021; o robotyce, w szczegĂłlnoĹ&#x203A;ci o stosunkach czĹ&#x201A;owieka z obiektami obdarzonymi sztucznÄ&#x2026; inteligencjÄ&#x2026;. Po raz pierwszy pojÄ&#x2122;cie to zostaĹ&#x201A;o wprowadzone w 2002 r. przez prezesa European Robotics Research Network (EURON) Gianmarco Veruggio. W 2006 r. powstaĹ&#x201A; pierwszy dokument, ogĹ&#x201A;oszony w Genewie przez EURON Roboethics Roadmap, wskazujÄ&#x2026;cy na cele i zagadnienia, ktĂłrymi musi zajÄ&#x2026;Ä&#x2021; siÄ&#x2122; ludzkoĹ&#x203A;Ä&#x2021;, aby harmonijnie wspĂłĹ&#x201A;pracowaÄ&#x2021; ze sztucznÄ&#x2026; inteligencjÄ&#x2026; [3].

AnalizujÄ&#x2026;c historiÄ&#x2122; robotyki w przemyĹ&#x203A;le moĹźna zauwaĹźyÄ&#x2021;, Ĺźe poczÄ&#x2026;tkowo celem byĹ&#x201A;o tylko odsuniÄ&#x2122;cie czĹ&#x201A;owieka od niebezpiecznego lub Ĺźmudnego procesu produkcyjnego. Roboty w przemyĹ&#x203A;le miaĹ&#x201A;y zastÄ&#x2026;piÄ&#x2021; czĹ&#x201A;owieka przy wykonywaniu prac monotonnych i powtarzalnych. MiaĹ&#x201A;y przenosiÄ&#x2021; ciÄ&#x2122;Ĺźary, pracowaÄ&#x2021; w Ĺ&#x203A;rodowisku groĹşnym dla zdrowia i Ĺźycia czĹ&#x201A;owieka. Jednak musiaĹ&#x201A;y byÄ&#x2021; odseparowane od czĹ&#x201A;owieka by zapewniÄ&#x2021; bezpieczeĹ&#x201E;stwo pracy. Specjalne bariery wejĹ&#x203A;cia w obszar pracy robota wraz z systemami alarmujÄ&#x2026;cymi byĹ&#x201A;y (i nadal w duĹźej czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci sÄ&#x2026;) nieodĹ&#x201A;Ä&#x2026;cznym elementem stanowisk zrobotyzowanych. StÄ&#x2026;d teĹź, ze wzglÄ&#x2122;du na charakter pracy w przemyĹ&#x203A;le, robot zawsze byĹ&#x201A; uwaĹźany za maszynÄ&#x2122; silnÄ&#x2026;, ciÄ&#x2122;ĹźkÄ&#x2026; i stanowiÄ&#x2026;cÄ&#x2026; potencjalne zagroĹźenie.

Obecnie robotyka jest jednÄ&#x2026; z najbardziej dynamicznie rozwijajÄ&#x2026;cych siÄ&#x2122; dziedzin nauki i przemysĹ&#x201A;u. Ĺ&#x161;miaĹ&#x201A;o wkracza niemal w kaĹźdy obszar naszego Ĺźycia pokonujÄ&#x2026;c kolejne bariery, zarezerwowane w przeszĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci dla czĹ&#x201A;owieka. Dzieje siÄ&#x2122; tak z dwĂłch powodĂłw. Pierwszym z nich jest coraz lepsza mechanika robotĂłw.

Nowe materiaĹ&#x201A;y, napÄ&#x2122;dy, stosowanie zĹ&#x201A;oĹźonych obliczeĹ&#x201E; dla optymalizacji konstrukcji robotĂłw sprawiajÄ&#x2026;, Ĺźe konstrukcje robotĂłw lepiej odpowiadajÄ&#x2026; na stawiane im wymagania. Coraz wiÄ&#x2122;ksza dostÄ&#x2122;pnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; i funkcjonalnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; systemĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych z manipulatorami umoĹźliwia stosowanie w nowych branĹźach. Nowe typy coraz lepszych czujnikĂłw, systemy wizyjne i inne rozwiÄ&#x2026;zania techniczne pozwalajÄ&#x2026; na coraz szersze i Ĺ&#x203A;miaĹ&#x201A;e implementowanie rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; zrobotyzowanych w miejscach, w ktĂłrych do chwili obecnej takie wdroĹźenia nie byĹ&#x201A;y moĹźliwe.

DrugÄ&#x2026; przyczynÄ&#x2026; (ale zdecydowanie bardziej istotnÄ&#x2026; niĹź pierwsza) wciÄ&#x2026;Ĺź rosnÄ&#x2026;cej popularnoĹ&#x203A;ci systemĂłw zrobotyzowanych sÄ&#x2026; tworzone nowe i doskonalsze systemy sterowania. Systemy sterowania, kontroli, a przede wszystkim pewnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; ich dziaĹ&#x201A;ania, odpornoĹ&#x203A;Ä&#x2021; na bĹ&#x201A;Ä&#x2122;dy, stosowana redundancja tak programowa jak i wyposaĹźenia, stojÄ&#x2026; za nowymi kierunkami rozwoju robotyki w kooperacji i kolaboracji. Roboty kolaborujÄ&#x2026;ce, pracujÄ&#x2026;ce ramiÄ&#x2122; w ramiÄ&#x2122; z czĹ&#x201A;owiekiem, coraz czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ciej zwane sÄ&#x2026; kobotami (ang. cobot). Aktualne potrzeby krajowych firm w zakresie optymalizacji aplikacji zrobotyzowanych

FO

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

Obecny rynek standardowych rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; zrobotyzowanych stanowisk produkcyjnych jest relatywnie stabilny. MoĹźna dodaÄ&#x2021;, Ĺźe rynek polski naleĹźy do dynamicznie rozwijajÄ&#x2026;cych siÄ&#x2122;, wciÄ&#x2026;Ĺź jednak pozostajÄ&#x2026;c w tyle za europejskÄ&#x2026; czoĹ&#x201A;ĂłwkÄ&#x2026; w tym obszarze.

Roboty pracujÄ&#x2026;c na róşnych stanowiskach wyrÄ&#x2122;czajÄ&#x2026; w trudnych i niebezpiecznych pracach czĹ&#x201A;owieka. BezpieczeĹ&#x201E;stwo jest zapewnione przez odizolowanie czĹ&#x201A;owieka od obszaru pracy robota.

Tym samym rozwiÄ&#x2026;zania takie prezentujÄ&#x2026; zalety zwiÄ&#x2026;zane z peĹ&#x201A;nymi moĹźliwoĹ&#x203A;ciami wykorzystania parametrĂłw technicznych manipulatorĂłw. Okupione jest to relatywnie duĹźym zapotrzebowaniem na powierzchniÄ&#x2122; stanowiska i brakiem moĹźliwoĹ&#x203A;ci, choÄ&#x2021;by minimalnej wspĂłĹ&#x201A;pracy czĹ&#x201A;owieka z robotem. Aby taka wspĂłlna praca mogĹ&#x201A;a mieÄ&#x2021; miejsce, w obszarze pracy manipulatora, w tradycyjnym pojmowaniu stanowisk zrobotyzowanych, winno dojĹ&#x203A;Ä&#x2021; do zatrzymania systemu automatyki. Jest to zdanie nieco na wyrost â&#x20AC;&#x201C; nawet w przeszĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci moĹźliwe byĹ&#x201A;o wspĂłĹ&#x201A;dziaĹ&#x201A;anie czĹ&#x201A;owieka z robotem, w obszarze pracy tego ostatniego, jednak z silnÄ&#x2026; detekcjÄ&#x2026; takiego stanu, np. za pomocÄ&#x2026; wyĹ&#x201A;Ä&#x2026;cznikĂłw kraĹ&#x201E;cowych itp. rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; bezpiecznych.

Kolejnym parametrem istotnym dla przedsiÄ&#x2122;biorcy w procesie produkcji, jest oczywiĹ&#x203A;cie nadal wydajnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; i wykorzystanie mocy produkcyjnych. Natomiast nowa jest potrzeba otwartoĹ&#x203A;ci systemĂłw automatyzacji, zwiÄ&#x2122;kszanie ich moĹźliwoĹ&#x203A;ci adaptacyjnych do zmieniajÄ&#x2026;cych siÄ&#x2122; wymagaĹ&#x201E; i potrzeb klientĂłw, w kontekĹ&#x203A;cie produktu. Powoli normÄ&#x2026; staje siÄ&#x2122; nie produkcja masowa, ale spersonalizowana. Pod tym pojÄ&#x2122;ciem rozumie siÄ&#x2122; produkcjÄ&#x2122; nadal znacznych wolumenĂłw wyrobĂłw, ale np. jednorazowo w mniejszych partiach, z czÄ&#x2122;stymi zmianami asortymentu, w wariantach, czy to kolorystycznych, czy to wyposaĹźenia danego produktu itp. Na tym tle niemal koniecznoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; staje siÄ&#x2122; takie projektowanie i wykonawstwo systemĂłw automatyki i robotyki, by odpowiadaĹ&#x201A;y na te wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;nie potrzeby. PewnÄ&#x2026; odpowiedziÄ&#x2026; na tak postawione wymaganie moĹźe byÄ&#x2021; dopuszczenie czĹ&#x201A;owieka w obszar pracy robota dla zrealizowania pewnej czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci montaĹźu, ktĂłry nie zawsze wystÄ&#x2122;puje w toku produkcji detalu i nie podlega automatyzacji.

PrzedsiÄ&#x2122;biorcy coraz gĹ&#x201A;oĹ&#x203A;niej mĂłwiÄ&#x2026; o tym, Ĺźe najwaĹźniejsza dla nich oprĂłcz wydajnoĹ&#x203A;ci staje siÄ&#x2122; elastycznoĹ&#x203A;Ä&#x2021; systemu, maksymalne skrĂłcenie czasu jego przezbrajania. Coraz czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ciej o przewadze konkurencyjnej nie decyduje tylko cena, ale teĹź szybkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; dostawy, gwarancja jakoĹ&#x203A;ci, elastycznoĹ&#x203A;Ä&#x2021; dostaw i czas reakcji na okreĹ&#x203A;lone zamĂłwienie. Aby utrzymaÄ&#x2021; pozycjÄ&#x2122; na rynku, niemal koniecznym staje siÄ&#x2122; coraz bardziej indywidualne podejĹ&#x203A;cie do realizacji zleceĹ&#x201E;, w ich czasowo zmieniajÄ&#x2026;cej siÄ&#x2122; róşnorodnoĹ&#x203A;ci. Na tym tle nowego znaczenia nabiera czas realizacji zmĂłwienia, ktĂłry na nowo staje siÄ&#x2122; przedmiotem gry rynkowej.

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

A Coraz droĹźsza rĂłwnieĹź staje siÄ&#x2122; powierzchnia produkcyjna oraz magazynowa, szczegĂłlnie w bezpoĹ&#x203A;rednim sÄ&#x2026;siedztwie duĹźych miast. Tym samym rĂłwnie waĹźnÄ&#x2026; obecnie potrzebÄ&#x2026;, jak duĹźa elastycznoĹ&#x203A;Ä&#x2021;, jest taka organizacja produkcji, rotacji zapasĂłw i produktu, aby takĹźe tutaj minimalizowaÄ&#x2021; nakĹ&#x201A;ady.

Optymalizacja miejsca na linie produkcyjne oraz najlepsze wykorzystanie powierzchni magazynowych sÄ&#x2026; obecnie bardzo wysoko na liĹ&#x203A;cie potrzeb producentĂłw.

Coraz droĹźsza jest sama praca, wciÄ&#x2026;Ĺź rosnÄ&#x2026;ce pĹ&#x201A;ace stanowiÄ&#x2026; ekonomicznÄ&#x2026; presjÄ&#x2122; na przedsiÄ&#x2122;biorcĂłw. Tym samym w ten nurt siĹ&#x201A;Ä&#x2026; rzeczy musi wpisywaÄ&#x2021; siÄ&#x2122; krajowa robotyzacja. W takim przypadku niezwykle pomocne okazujÄ&#x2026; siÄ&#x2122; zaawansowane systemy sterowania i kontroli na kaĹźdym etapie produkcji. Elektroniczny nadzĂłr pozwala jednoczeĹ&#x203A;nie na optymalne wykorzystanie maszyn do realizacji zamĂłwieĹ&#x201E;, jak i przestrzeni magazynowej do skĹ&#x201A;adowania materiaĹ&#x201A;Ăłw i produktĂłw. Nawet w niewielkiej firmie produkcyjnej wprowadzenie optymalizacji funkcjonowania stanowisk zrobotyzowanych, powiÄ&#x2026;zanych z danymi o stanach magazynowych, zamĂłwieniach itd. jest istotnym skĹ&#x201A;adnikiem obecnoĹ&#x203A;ci na rynku, utrzymania siÄ&#x2122; na nim, a takĹźe zwiÄ&#x2122;kszania w nim udziaĹ&#x201A;u.

PodsumowujÄ&#x2026;c, aktualne potrzeby krajowych przedsiÄ&#x2122;biorcĂłw nie tylko ograniczajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; do postawienia stanowiska zrobotyzowanego w zakĹ&#x201A;adzie produkcyjnym, w jego fizycznej postaci, ale teĹź wypracowania algorytmĂłw sterowania i kontroli, ktĂłre caĹ&#x201A;y cykl Ĺźycia produktu (usĹ&#x201A;ugi) wprowadzÄ&#x2026; na tory optymalnego wykorzystania wszystkich zasobĂłw. Jakie zmiany winny byÄ&#x2021; wprowadzane oraz na czym polega istota modernizacji w obszarach optymalizacji instalacji zrobotyzowanych w relacji do wyĹźej przytoczonych zmieniajÄ&#x2026;cych siÄ&#x2122; uwarunkowaĹ&#x201E; zewnÄ&#x2122;trznych?

JednÄ&#x2026; z moĹźliwych odpowiedzi, na tak postawione pytanie jest teza, Ĺźe przedsiÄ&#x2122;biorcom, szczegĂłlnie obecnie, zaleĹźy na minimalizacji miejsca zajmowanego przez stanowisko, przy zachowaniu peĹ&#x201A;nych jego wartoĹ&#x203A;ci technicznych. Jednym z moĹźliwych k.ierunkĂłw osiÄ&#x2026;gniÄ&#x2122;cia takiego efektu jest skorzystanie z silnie rozwijanego obecnie kierunku bliskiej wspĂłĹ&#x201A;pracy czĹ&#x201A;owieka z maszynÄ&#x2026;. Aplikacje zrobotyzowane tym samym winny speĹ&#x201A;niaÄ&#x2021; takie wymagania techniczne i formalne, by moĹźliwe byĹ&#x201A;o ich bezpieczne uĹźytkowanie, przy zaĹ&#x201A;oĹźonej minimalnej przestrzeni potrzebnej do ich poprawnego technicznie funkcjonowania.

Systemy wizyjne, skanery, maty naciskowe, czujniki w poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czeniu z szafami sterowniczymi robotĂłw wykonanymi w wersji â&#x20AC;&#x17E;safetyâ&#x20AC;? pozwalajÄ&#x2026; na minimalizacjÄ&#x2122; miejsca potrzebnego pod aplikacjÄ&#x2122;, przy zachowaniu niemal peĹ&#x201A;nej funkcjonalnoĹ&#x203A;ci systemu standardowego. W obszarze szaf sterowniczych dedykowanych do wspĂłĹ&#x201A;pracy z czujnikami i systemami wykrywajÄ&#x2026;cymi obecnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; czĹ&#x201A;owieka w strefie pracy manipulatora, moĹźna spotkaÄ&#x2021; siÄ&#x2122; z róşnymi rozwiÄ&#x2026;zaniami programowymi i wyposaĹźenia,

ktĂłre pozwalajÄ&#x2026; na bezpieczne podĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenie systemĂłw czujnikĂłw zgodnie z wymaganiami przepisĂłw prawa. Systemy takie umoĹźliwiajÄ&#x2026; pracÄ&#x2122; robota w przestrzeni, w ktĂłrej moĹźe pojawiÄ&#x2021; siÄ&#x2122; czĹ&#x201A;owiek, bazujÄ&#x2026;c tylko na sygnaĹ&#x201A;ach pochodzÄ&#x2026;cych z czujnikĂłw, skanerĂłw i mat.

# +

!

&7 , ' E Nowy typ robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych z czĹ&#x201A;owiekiem â&#x20AC;&#x201C; kobotĂłw, zaprezentowano na targach branĹźowych juĹź w 2013 r. Obecnie na rynku, oprĂłcz prekursora kierunku â&#x20AC;&#x201C; firmy Universal Robots, oferujÄ&#x2026; je prawie wszyscy czoĹ&#x201A;owi producenci tradycyjnych robotĂłw przemysĹ&#x201A;owych. WedĹ&#x201A;ug MiÄ&#x2122;dzynarodowej Federacji Robotyki (IFR) nastÄ&#x2026;pi wzrost wartoĹ&#x203A;ci rocznej sprzedaĹźy robotĂłw przemysĹ&#x201A;owych na caĹ&#x201A;ym Ĺ&#x203A;wiecie o Ĺ&#x203A;rednio 15% rocznie w latach 2018â&#x20AC;&#x201C;2020 [4]. Dla robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych prognozy te sÄ&#x2026; jeszcze lepsze. WedĹ&#x201A;ug firmy Transparency Market Research Ĺ&#x203A;rednioroczny wzrost do 2024 r. wyniesie 30%.

WedĹ&#x201A;ug prognoz wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; Ĺ&#x203A;wiatowego rynku robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych zwiÄ&#x2122;kszy siÄ&#x2122; z 116 mln dolarĂłw w 2016 r. do 950 mln dolarĂłw w 2024 r. [5].

Koboty sÄ&#x2026; przeznaczone do bezpoĹ&#x203A;redniej wspĂłĹ&#x201A;pracy z czĹ&#x201A;owiekiem, powinny wiÄ&#x2122;c zachÄ&#x2122;caÄ&#x2021; do tego juĹź samym swoim wyglÄ&#x2026;dem. PoszczegĂłlni producenci wprowadzajÄ&#x2026;c kolejne roboty tego typu zmieniajÄ&#x2026; ich wyglÄ&#x2026;d na bardziej przyjazny dla czĹ&#x201A;owieka. KsztaĹ&#x201A;t i wyglÄ&#x2026;d ramienia robota jest bardziej opĹ&#x201A;ywowy, bez Ĺźadnych wystajÄ&#x2026;cych elementĂłw, dodatkowo powierzchnia robotĂłw czÄ&#x2122;sto pokryta jest specjalnym materiaĹ&#x201A;em, np. miÄ&#x2122;kkim tworzywem. WyposaĹźone sÄ&#x2026; w specjalne systemy wykrywajÄ&#x2026;ce wartoĹ&#x203A;ci siĹ&#x201A; wywieranych na ramiÄ&#x2122;, ktĂłre zapewniajÄ&#x2026; w sprzÄ&#x2122;Ĺźeniu zwrotnym, ograniczenie uĹźycia siĹ&#x201A;y w przypadku kolizji z czĹ&#x201A;owiekiem. Obecnie roboty ze wzglÄ&#x2122;dĂłw bezpieczeĹ&#x201E;stwa dysponujÄ&#x2026; niewielkimi mocami, maĹ&#x201A;ym udĹşwigiem, sÄ&#x2026; lekkie i â&#x20AC;&#x17E;wraĹźliweâ&#x20AC;?. DziÄ&#x2122;ki integracji ukĹ&#x201A;adĂłw sensorycznych, systemĂłw bezpieczeĹ&#x201E;stwa, dostosowanych do wspĂłĹ&#x201A;pracy z czĹ&#x201A;owiekiem oraz lekkiej konstrukcji, mogÄ&#x2026; z wyczuciem pracowaÄ&#x2021; w bezpoĹ&#x203A;rednim kontakcie z czĹ&#x201A;owiekiem.

Wprowadzenie robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych spowodowaĹ&#x201A;o rĂłwnieĹź istotne zmiany w sposobie programowania manipulatorĂłw.

Celem byĹ&#x201A;o, aby w powiÄ&#x2026;zaniu z przyjaznoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; fizycznej konstrukcji robota, wystÄ&#x2122;powaĹ&#x201A;o takĹźe maksymalne uĹ&#x201A;atwienie programowania. WiÄ&#x2122;kszoĹ&#x203A;Ä&#x2021; z dostÄ&#x2122;pnych robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych moĹźna tym samym programowaÄ&#x2021; przez bezpoĹ&#x203A;rednie uczenie, czyli rÄ&#x2122;czne prowadzenie robota po trajektorii, jakÄ&#x2026; powinien później realizowaÄ&#x2021;. NowoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026;, ktĂłrÄ&#x2026; wprowadza robotyka wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;ca jest znakomite upraszczanie programowania, dla maksymalnego uĹ&#x201A;atwienia uruchamiania robota do nowych aplikacji

Rys. 2 Roczne globalne dostawy robotĂłw przemysĹ&#x201A;owych w latach 2008â&#x20AC;&#x201C;2016 i 2017â&#x20AC;&#x201C;2020 [4] Fig. 2. Annual global delivery, industrial robots in years 2008â&#x20AC;&#x201C;2016 and 2017â&#x20AC;&#x201C;2020 [4]

Fa

<

$ >

$ ! ] ! %

Osobne przestrzenie pracy

Aplikacje

(brak interakcji)

Przetwarzanie sekwencyjne

Rys. 3 Wizualizacja róşnych form stanowisk zrobotyzowanych, z punktu widzenia wspĂłĹ&#x201A;pracy z czĹ&#x201A;owiekiem Fig. 3. Visualization of various forms of robotic applications, from the point of view of cooperation with people

Jednoczesne przetwarzanie

i adaptacji programu â&#x20AC;&#x201C; w przypadku zmiany asortymentu â&#x20AC;&#x201C; dla instalacji juĹź istniejÄ&#x2026;cych. Dodatkowym czynnikiem wpĹ&#x201A;ywajÄ&#x2026;cym na atrakcyjnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; zwiÄ&#x2026;zanych z niewielkimi robotami wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cymi jest moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; pracy w maĹ&#x201A;ej przestrzeni produkcyjnej. Obecnie roboty te majÄ&#x2026; pewne ograniczenia w stosunku do tradycyjnych w manipulatorĂłw przemysĹ&#x201A;owych. DotyczÄ&#x2026; one dwĂłch waĹźnych kwestii â&#x20AC;&#x201C; udĹşwigu robota i szybkoĹ&#x203A;ci ruchu w bezpoĹ&#x203A;redniej bliskoĹ&#x203A;ci czĹ&#x201A;owieka [6]. Roboty kolaboracyjne nadajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; wiÄ&#x2122;c do aplikacji operowania detalami o relatywnie niewielkich masach z niewielkimi szybkosciami.

PodkreĹ&#x203A;liÄ&#x2021; naleĹźy, Ĺźe bliska wspĂłĹ&#x201A;praca robotâ&#x20AC;&#x201C;czĹ&#x201A;owiek, jest jednym z zasadniczych kierunkĂłw rozwoju wspĂłĹ&#x201A;czesnych robotĂłw. Ostatnio niemal wszÄ&#x2122;dzie sĹ&#x201A;ychaÄ&#x2021; gĹ&#x201A;osy o inteligentnych robotach wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych i ten trend wyraĹşnie nabiera tempa. JednoczeĹ&#x203A;nie, moĹźna powiedzieÄ&#x2021; rĂłwnolegle rozwija siÄ&#x2122; tzw. kooperacja czyli bezpieczna praca czĹ&#x201A;owieka z robotem bez wygrodzeĹ&#x201E;. Tutaj czĹ&#x201A;owiek wraz z robotem wystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026; we wspĂłlnej przestrzeni roboczej, lecz nie wystÄ&#x2122;puje miÄ&#x2122;dzy nimi Ĺźadna interakcja.

Nie ma wÄ&#x2026;tpliwoĹ&#x203A;ci, Ĺźe najwiÄ&#x2122;kszym wyzwaniem, gdy mowa o wspĂłĹ&#x201A;pracy czĹ&#x201A;owieka z robotem, jest zapewnienie najwyĹźszego poziomu bezpieczeĹ&#x201E;stwa dla operatora, przy jednoczesnej maksymalizacji wykorzystania parametrĂłw pracy robotĂłw â&#x20AC;&#x201C; zarĂłwno dla stanowisk kooperacyjnych, gdzie w chwili ingerencji czĹ&#x201A;owieka w obszar pracy robota, dochodzi do bezpiecznego zatrzymania pracy manipulatora, musi byÄ&#x2021; ten ubytek wydajnoĹ&#x203A;ci wziÄ&#x2122;ty pod uwagÄ&#x2122;. JednoczeĹ&#x203A;nie zaletÄ&#x2026; takiego rozwiÄ&#x2026;zania jest otwarty dostÄ&#x2122;p do niemal peĹ&#x201A;nej gamy robotĂłw przemysĹ&#x201A;owych, w szczegĂłlnoĹ&#x203A;ci ich udĹşwigĂłw, zasiÄ&#x2122;gĂłw i prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci.

Stanowisko zrobotyzowane gwarantuje minimalizacjÄ&#x2122; przestrzeni potrzebnej do pracy, co odbywa siÄ&#x2122; kosztem zmniejszenia wydajnoĹ&#x203A;ci pracy instalacji, jak i moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; pracy czĹ&#x201A;owieka z robotem (zatrzymanym), co jest przydatne w systemach podawania detali delikatnych, ktĂłre czĹ&#x201A;owiek umieszcza rÄ&#x2122;cznie w bezpoĹ&#x203A;rednim obszarze pracy robota. Gdy w toku realizacji procesĂłw produkcji wystÄ&#x2122;puje koniecznoĹ&#x203A;Ä&#x2021; bezpiecznej interakcji we wspĂłlnej przestrzeni roboczej czĹ&#x201A;owieka z robotem (robot jest tzw. trzeciÄ&#x2026; rÄ&#x2122;kÄ&#x2026;), najlepszym rozwiÄ&#x2026;zaniem jest wdroĹźenie stanowiska z kobotem. CenÄ&#x2026; za taki komfort funkcjonowania stanowiska czĹ&#x201A;owiekâ&#x20AC;&#x201C;robot, jest dostosowanie siÄ&#x2122; do udĹşwigĂłw manipulatorĂłw na poziomie do 35 kg i optymalizacja prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci do bezpiecznej przy danym udĹşwigu manipulatora.

W przypadku pracy z tradycyjnym robotem bez wygrodzeĹ&#x201E; waĹźne jest zapewnienie bezpiecznej pozycji, zatrzymania i bez-

PG

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

piecznej prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci pracy robota uzaleĹźnionej od odlegĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci na linii czĹ&#x201A;owiekâ&#x20AC;&#x201C;robot.

4. Normy oraz wytyczne w zakresie HRC Zanim powstaĹ&#x201A;a finalna wersja normy dotyczÄ&#x2026;ca bezpieczeĹ&#x201E;stwa robotĂłw i systemĂłw zrobotyzowanych minÄ&#x2122;Ĺ&#x201A;o kilkadziesiÄ&#x2026;t lat od pojawienia siÄ&#x2122; pierwszego ich przedstawiciela. Przygotowanie wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwego, znormalizowanego dokumentu dotyczÄ&#x2026;cego tego waĹźnego aspektu, jakim jest bezpieczeĹ&#x201E;stwo, wymagaĹ&#x201A;o poznania zagroĹźeĹ&#x201E;, a w rzeczywistoĹ&#x203A;ci badaĹ&#x201E; nad ich ĹşrĂłdĹ&#x201A;ami. W 2011 r. zostaĹ&#x201A;a opublikowana dwuczÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ciowa norma zasadnicza ISO 10218-1 i 2. Pierwsza czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; ISO 10218-1 dotyczy samych robotĂłw, a druga ISO 10218-2 obejmuje systemy zrobotyzowane. Normy te zawierajÄ&#x2026; wytyczne i wymagania bezpieczeĹ&#x201E;stwa dotyczÄ&#x2026;ce tradycyjnych robotĂłw przemysĹ&#x201A;owych. Nie uwzglÄ&#x2122;dniono w nich tym samym kobotĂłw â&#x20AC;&#x201C; robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych, dlatego w poĹ&#x201A;owie lutego 2016 r. jako uzupeĹ&#x201A;nienie do tej normy opublikowano specyfikacjÄ&#x2122; technicznÄ&#x2026; ISO/TS 15066. Dokument zawiera wytyczne dla aplikacji przemysĹ&#x201A;owych, w ktĂłrych robot i czĹ&#x201A;owiek pracujÄ&#x2026; obok siebie, ramiÄ&#x2122; w ramiÄ&#x2122; [7].

W specyfikacji ISO/TS 15066 wyszczegĂłlniono cztery rodzaje (rys. 5) instalacji wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych (ang. collaborative operations) [8]: 1. BezpieczeĹ&#x201E;stwo oceniane â&#x20AC;&#x201C; monitorowane zatrzymanie (ang. safety-rated monitored stop) â&#x20AC;&#x201C; zatrzymanie jest zapewnione bez koniecznoĹ&#x203A;ci wyĹ&#x201A;Ä&#x2026;czania mocy; w tym przypadku czĹ&#x201A;owiek i system robotyczny nie mogÄ&#x2026; poruszaÄ&#x2021; siÄ&#x2122; w jednym czasie.

2. Prowadzenie rÄ&#x2122;czne (ang. hand-guiding) â&#x20AC;&#x201C; rÄ&#x2122;cznie sterowany system robotyczny, system robotyczny i czĹ&#x201A;owiek mogÄ&#x2026; poruszaÄ&#x2021; siÄ&#x2122; jednoczeĹ&#x203A;nie; kobot jest kontrolowany przez operatora.

3. Monitorowanie prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci i oddzielania (ang. speed and separation monitoring) â&#x20AC;&#x201C; prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; systemu robotycznego bÄ&#x2122;dzie sterowana w oparciu o odlegĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; miÄ&#x2122;dzy nim a intruzem. Obecnie wykorzystywane sÄ&#x2026; do tego urzÄ&#x2026;dzenia zewnÄ&#x2122;trzne, m.in. skanery i czujniki wizyjne, ktĂłre w przyszĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci bÄ&#x2122;dÄ&#x2026; zintegrowane z systemem robotycznym. W tym przypadku czĹ&#x201A;owiek i robot wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cy mogÄ&#x2026; poruszaÄ&#x2021; siÄ&#x2122; jednoczeĹ&#x203A;nie. System robotyczny zwolni w miarÄ&#x2122; zbliĹźania siÄ&#x2122; do obiektu. MoĹźliwe jest zatrzymanie przed obiektem lub uderzenie z siĹ&#x201A;Ä&#x2026; okreĹ&#x203A;lonÄ&#x2026; w specyfikacji.

4. Ograniczenie mocy i siĹ&#x201A;y (ang. power and force limiting) â&#x20AC;&#x201C; prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;Ä&#x2021;, moment obrotowy i ruch sterowane sÄ&#x2026; w taki sposĂłb, Ĺźe bĂłl nie bÄ&#x2122;dzie odczuwalny lub czĹ&#x201A;owiek nie zostanie A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

A zraniony. W tym przypadku system robotyczny i czĹ&#x201A;owiek pracujÄ&#x2026; jednoczeĹ&#x203A;nie, a siĹ&#x201A;a, prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; i ruch sÄ&#x2026; w peĹ&#x201A;ni kontrolowane â&#x20AC;&#x201C; aplikacja nie spowoduje bĂłlu czy uszkodzenia ciaĹ&#x201A;a, nie ma teĹź potrzeby stosowania dodatkowych tradycyjnych zabezpieczeĹ&#x201E;, klatek, systemĂłw czujnikĂłw. Parametry sÄ&#x2026; okreĹ&#x203A;lane na podstawie analizy ryzyka.

[ $ &

% , 3C.

Od poczÄ&#x2026;tku istnienia roboty spawaĹ&#x201A;y, zgrzewaĹ&#x201A;y, przenosiĹ&#x201A;y, malowaĹ&#x201A;y i realizowaĹ&#x201A;y inne czynnoĹ&#x203A;ci, ktĂłre wykonujÄ&#x2026; rĂłwnieĹź obecnie. ZmianÄ&#x2026; znaczÄ&#x2026;cÄ&#x2026; jest rozwĂłj kobotĂłw, ktĂłry przyczynia siÄ&#x2122; do powstawania nowej jakoĹ&#x203A;ci w wykorzystaniu robotĂłw przemysĹ&#x201A;owych. RosnÄ&#x2026;ce wymagania klientĂłw i globalna konkurencja to czynniki, ktĂłre powodujÄ&#x2026;, Ĺźe jest koniecznoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; szybkie reagowanie MĹ&#x161;P na nowe potrzeby. W szczegĂłlnoĹ&#x203A;ci podmioty wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;nie z tego obszaru winny stawiaÄ&#x2021; na dynamikÄ&#x2122; w dostosowaniu siÄ&#x2122; do potrzeb i wymagaĹ&#x201E; ich klienta w zakresie szybkoĹ&#x203A;ci i zmiennoĹ&#x203A;ci zamĂłwieĹ&#x201E;.

Obecnie dla odbiorcy powoli zmniejsza siÄ&#x2122; znaczenie ceny, a najwaĹźniejszym parametrem staje siÄ&#x2122; czas dostawy i moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wprowadzania personalizacji w produktach (ciekawym przykĹ&#x201A;adem mogÄ&#x2026; byÄ&#x2021; np., imienne kalendarze ksiÄ&#x2026;Ĺźkowe, gdzie z bazy danych pobierane sÄ&#x2026; dane osoby i nanoszone na okĹ&#x201A;adkÄ&#x2122;).

W ogĂłlnym obrazie krajowego rynku ksztaĹ&#x201A;tuje siÄ&#x2122; podziaĹ&#x201A; na firmy duĹźe lub bardzo duĹźe o znacznej bezwĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;ci, niewielkiej podatnoĹ&#x203A;ci na szybkie zmiany w procesie produkcji, czy w samym produkcie oraz na firmy MĹ&#x161;P, ktĂłre swojÄ&#x2026; gĹ&#x201A;ĂłwnÄ&#x2026; przewagÄ&#x2122; konkurencyjnÄ&#x2026; budujÄ&#x2026; na moĹźliwoĹ&#x203A;ci szybkiego dostosowania siÄ&#x2122; do zmieniajÄ&#x2026;cych wymagaĹ&#x201E; klienta. KrĂłtsze czasy dostaw oraz personalizowanie wyrobĂłw sprawiajÄ&#x2026;, Ĺźe firmy takie bÄ&#x2122;dÄ&#x2026; w tym obszarze swoje pozycje umacniaÄ&#x2021;. JednoczeĹ&#x203A;nie pewnym zagroĹźeniem, paradoksalnie, moĹźe byÄ&#x2021; wdraĹźanie przez najwiÄ&#x2122;kszych graczy w danej branĹźy idei PrzemysĹ&#x201A;u 4.0. U podstaw tego kierunku leĹźy wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;nie adaptacyjnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; i personalizacja produkcji masowej.

Polskie przedsiÄ&#x2122;biorstwa, aby mĂłc sprawnie dziaĹ&#x201A;aÄ&#x2021; na globalnym rynku, muszÄ&#x2026; oferowaÄ&#x2021; pod wieloma wzglÄ&#x2122;dami konkurencyjne produkty. Liczy siÄ&#x2122; wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;nie jakoĹ&#x203A;Ä&#x2021;, czas, wydajnoĹ&#x203A;Ä&#x2021;, indywidualne podejĹ&#x203A;cie do klienta i innowacyjny produkt, i tu zastosowanie kobotĂłw wydaje siÄ&#x2122; idealnym rozwiÄ&#x2026;zaniem. Roz-

wiÄ&#x2026;zaniem niemal doskonaĹ&#x201A;ym, takĹźe z punktu widzenia przyjÄ&#x2122;tej filozofii samych producentĂłw kobotĂłw, zwiÄ&#x2026;zanej rĂłwnieĹź z upraszczaniem procesu programowania. Zmiana asortymentu, wejĹ&#x203A;cie nowego typu produktu, krĂłtkiej partii wyrobu itp. musi byÄ&#x2021; procesem wysoko zautomatyzowanym (zrobotyzowanym), ale teĹź powinno minimalizowaÄ&#x2021; nakĹ&#x201A;ad czasu na nowe uruchomienie. SkupiajÄ&#x2026;c siÄ&#x2122; na pracy samych robotĂłw, nie sposĂłb odejĹ&#x203A;Ä&#x2021; od idei procesu produkcji, ktĂłra okreĹ&#x203A;la drogÄ&#x2122; produktu do finalnego wyrobu. Od jego wersji surowej, elementĂłw podstawowych i skĹ&#x201A;adowych po obrĂłbkÄ&#x2122;, ksztaĹ&#x201A;towanie, konfekcjonowanie produktĂłw itp., aĹź do docelowego wyrobu. Tym samym roboty umieszczone w danym miejscu procesu wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026; ze sobÄ&#x2026; albo z innymi maszynami, ale teĹź bardzo czÄ&#x2122;sto z czĹ&#x201A;owiekiem. CzĹ&#x201A;owiek jest nie tylko operatorem stanowiska, ale czynnym uczestnikiem procesu produkcji, ktĂłry odpowiada takĹźe za poprawny montaĹź bardziej skomplikowanego mechanizmu, poprawne pomalowanie elementu itp. Nasuwa siÄ&#x2122; pytanie, czy polskie MĹ&#x161;P sÄ&#x2026; gotowe, aby pominÄ&#x2026;Ä&#x2021; wczeĹ&#x203A;niejsze etapy automatyzacji, robotyzacji i wprowadziÄ&#x2021; w swoich zakĹ&#x201A;adach innowacyjne koboty, bez wygrodzeĹ&#x201E;, ktĂłre bÄ&#x2122;dÄ&#x2026; pracowaĹ&#x201A;y nie tylko obok czĹ&#x201A;owieka, ale â&#x20AC;&#x17E;ramiÄ&#x2122; w ramiÄ&#x2122;â&#x20AC;? z nim? OczywiĹ&#x203A;cie aspekty techniczne stanowiÄ&#x2026; w tym momencie coraz mniejszÄ&#x2026; barierÄ&#x2122; we wdraĹźaniu tego typu rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E;. Dochodzimy jednak do waĹźnego elementu, czyli pĹ&#x201A;aszczyzny spoĹ&#x201A;ecznej wspĂłĹ&#x201A;pracy czĹ&#x201A;owieka z robotem â&#x20AC;&#x201C; w jakim stopniu pracownicy sÄ&#x2026; gotowi na akceptacjÄ&#x2122; pracy w tak bliskim sÄ&#x2026;siedztwie z urzÄ&#x2026;dzeniem?

MoĹźna wyobraziÄ&#x2021; sobie zakĹ&#x201A;ad produkcyjny, w ktĂłrym do tej pory nie byĹ&#x201A;o zaawansowanych maszyn, robotĂłw i nagle na linii, na ktĂłrej pracujÄ&#x2026; ludzie sÄ&#x2026; instalowane koboty. Jest to wyzwanie dla wszystkich uczestnikĂłw procesu. ZarĂłwno dla integratorĂłw, ktĂłrzy biorÄ&#x2026; odpowiedzialnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; za wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwe zaprojektowanie, wytworzenie, posadowienie i uruchomienie instalacji, jak i, a moĹźe przede wszystkim dla uĹźytkownikĂłw systemu. Tak na poziomie zarzÄ&#x2026;du firmy (jak siÄ&#x2122; taka instalacja sprawdzi ekonomicznie), jak i w znaczÄ&#x2026;cej czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci dla bezpoĹ&#x203A;redniej obsĹ&#x201A;ugi stanowiska. Znane jest niepokojÄ&#x2026;ce uczucie przebywania w pobliĹźu gĹ&#x201A;oĹ&#x203A;nego urzÄ&#x2026;dzenia czy elementĂłw mechanicznych, ktĂłre w bliskoĹ&#x203A;ci czĹ&#x201A;owieka poruszajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; relatywnie szybko. Te uczucia takĹźe mogÄ&#x2026; towarzyszyÄ&#x2021; obsĹ&#x201A;udze. PowodowaÄ&#x2021; pewien niepokĂłj, Ĺźe za plecami porusza siÄ&#x2122; robot â&#x20AC;&#x201C; nawet jeĹ&#x203A;li robi to z niewielkÄ&#x2026; prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; i pewnoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; zatrzymania w przypadku kolizji.

Rys. 4 PrzykĹ&#x201A;ady dostÄ&#x2122;pnych kobotĂłw oferowanych przez czoĹ&#x201A;owych producentĂłw robotĂłw: obecnie â&#x20AC;&#x201C; udĹşwig od 500 g do 35 kg; trend â&#x20AC;&#x201C; udĹşwig od 20 kg do 150 kg Fig. 4. Examples of available cobots, offered by leading robot manufacturers: currently â&#x20AC;&#x201C; capacity from 500 g to 35 kg; trend â&#x20AC;&#x201C; capacity from 20 kg to 150 kg

PQ

<

$ >

$ ! ] ! %

Rys. 5. Rodzaje instalacji wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych wg ISO/TS 15066:2016 Fig. 5. Types of cooperating installations according to ISO/TS 15066: 2016

WiÄ&#x2122;kszym wyzwaniem jest praca robotĂłw kooperacyjnych â&#x20AC;&#x201C; standardowych, ale pracujÄ&#x2026;cych bez ogrodzeĹ&#x201E;, a zapewniajÄ&#x2026;cych bezpieczeĹ&#x201E;stwo czĹ&#x201A;owieka przez wprowadzenie oczujnikowanych stref. Strefa detekcji obecnoĹ&#x203A;ci czĹ&#x201A;owieka i zmiana prÄ&#x2122;dkoĹ&#x203A;ci ruchĂłw roboczych, aĹź do zatrzymania manipulatora po przekroczeniu danego rewiru przez operatora, o ile dla wspĂłĹ&#x201A;pracy z kobotami, komfort pracy, jest w pewnym zakresie zapewniony przez ich niewielkie wymiary, przyjazny wyglÄ&#x2026;d, obĹ&#x201A;e ksztaĹ&#x201A;ty itp., o tyle dla stanowisk z robotami tradycyjnymi ich praca bez wygrodzenia moĹźe robiÄ&#x2021; pewne niemiĹ&#x201A;e wraĹźenie. WidzÄ&#x2026;c robota o udĹşwigu nawet â&#x20AC;&#x17E;tylkoâ&#x20AC;? 300 kg, ktĂłry operuje dodatkowo elementem o duĹźych gabarytach i nic poza przestrzeniÄ&#x2026; nie dzieli go od obserwatora, moĹźna odczuÄ&#x2021; pewien rodzaj fizycznie namacalnego dyskomfortu. PrzykĹ&#x201A;adem realizacji tego typu stanowiska mogĹ&#x201A;a byÄ&#x2021; instalacja, gdzie duĹźy robot operowaĹ&#x201A; na linii produkcyjnej, ale z powodĂłw niewielkiej dostÄ&#x2122;pnoĹ&#x203A;ci przestrzeni, w toku pracy zajmowaĹ&#x201A; rĂłwnieĹź czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;Ä&#x2021; pieszego ciÄ&#x2026;gu komunikacyjnego.

MoĹźe nie byĹ&#x201A; to najbardziej uczÄ&#x2122;szczany obszar hali produkcyjnej, ale silne wraĹźenia, jakie kaĹźdorazowo towarzyszyĹ&#x201A;y przechodzÄ&#x2026;cym obok stanowiska, kazaĹ&#x201A;y jednak zadaÄ&#x2021; pytanie o w pewnym sensie spoĹ&#x201A;eczny i emocjonalny koszt takiej instalacji.

Kierunki kolaboracji i kooperacji w robotyce, ktĂłre sÄ&#x2026; w dajÄ&#x2026;cym siÄ&#x2122; obserwowaÄ&#x2021; trendzie silnie wznoszÄ&#x2026;cym, najpewniej nie wyprÄ&#x2026; tradycyjnej robotyki w peĹ&#x201A;ni, ale udziaĹ&#x201A; tego typu rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; bÄ&#x2122;dzie wciÄ&#x2026;Ĺź rĂłsĹ&#x201A;. Obecnie wydaje siÄ&#x2122; jesteĹ&#x203A;my na etapie wprowadzania do zakĹ&#x201A;adĂłw wytwarzania systemĂłw, ktĂłre w zaĹ&#x201A;oĹźeniu stosowania rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; technologicznych produkcji nie byĹ&#x201A;y dla tych zakĹ&#x201A;adĂłw przewidziane, a to moĹźe stanowiÄ&#x2021; pewne wyzwanie. Wydaje siÄ&#x2122; jednak, Ĺźe z czasem i same procesy oraz technologie bÄ&#x2122;dÄ&#x2026; tak projektowane i realizowane technicznie, aby uwzglÄ&#x2122;dniaĹ&#x201A;y w samych swoich zaĹ&#x201A;oĹźeniach miejsce dla stanowisk kolaboracji i kooperacji miÄ&#x2122;dzy czĹ&#x201A;owiekiem i robotem.

Bardzo krĂłtki czas Ĺźycia produktu wymusza daleko idÄ&#x2026;cÄ&#x2026; elastycznoĹ&#x203A;Ä&#x2021; tak systemĂłw produkcji, jak i technologii. Daje to rezultat w postaci eskalacji ĹźÄ&#x2026;daĹ&#x201E; ze strony producentĂłw skierowanych do dostawcĂłw robotĂłw, by te jak najlepiej odpowiadaĹ&#x201A;y na ich potrzeby. I w ten kierunek wpisuje siÄ&#x2122; coraz gĹ&#x201A;oĹ&#x203A;niej podnoszone zapotrzebowanie na prostego i taniego robota o trwaĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci jedynie takiej, ktĂłra speĹ&#x201A;niĹ&#x201A;aby potrzeby tylko jednego zadania produkcyjnego. Taki robot, dedykowany do projektu produkcyjnego winien takĹźe byÄ&#x2021; relatywnie Ĺ&#x201A;atwo programo-

PK

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

walny, aby uruchomienie linii produkcyjnej 100 jednostek tego typu manipulatorĂłw byĹ&#x201A;o zarĂłwno szybkie, jak i kosztowo optymalne ze wzglÄ&#x2122;du na liczbÄ&#x2122; zaangaĹźowanych programistĂłw.

Otwartym zatem pozostaje pytanie, czy ktĂłrykolwiek z przedstawionych kierunkĂłw rozwoju robotyki zdobÄ&#x2122;dzie przewagÄ&#x2122;, czy raczej bÄ&#x2122;dzie to rĂłwnolegĹ&#x201A;y rozwĂłj wielu kierunkĂłw, odpowiadajÄ&#x2026;cych tak naprawdÄ&#x2122; na bardzo róşne cele realizowane przez dane typy robotĂłw.

6. Etapy wprowadzania bezpiecznej

!

& 7 W swoich wczeĹ&#x203A;niejszych zaĹ&#x201A;oĹźeniach systemy automatyzacji i robotyzacji dedykowane byĹ&#x201A;y do prac powtarzalnych, gdzie dokĹ&#x201A;adnie okreĹ&#x203A;lane byĹ&#x201A;y parametry wejĹ&#x203A;cia do takiego systemu (wymiary, tolerancje wymiarowe, technologia itp.) i na ogĂłĹ&#x201A; mocno sformalizowany byĹ&#x201A; takĹźe rezultat jego pracy. Uzyskana wydajnoĹ&#x203A;Ä&#x2021;, wymiarowa dokĹ&#x201A;adnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; elementĂłw, zgodnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; z zaĹ&#x201A;oĹźonÄ&#x2026; technologiÄ&#x2026; byĹ&#x201A;y bezpoĹ&#x203A;rednimi parametrami oceny systemu. Obecnie takie podejĹ&#x203A;cie ulega zmianie.

Nowy trend zakĹ&#x201A;ada wiÄ&#x2122;kszÄ&#x2026; niĹź obecnie uniwersalnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; instalacji, a czasem rĂłwnieĹź jej pewnÄ&#x2026; nieokreĹ&#x203A;lonoĹ&#x203A;Ä&#x2021; odnoĹ&#x203A;nie przyszĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci eksploatacji. W zwiÄ&#x2026;zku z tym stanowiska zrobotyzowane powinny Ĺ&#x201A;atwo poddawaÄ&#x2021; siÄ&#x2122; modernizacjom, a juĹź niemal warunkiem jest Ĺ&#x201A;atwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; ich przezbrajania na nowe, nieprzewidziane na etapie integracji rodzaje detali, czy technologii.

ZaĹ&#x201A;oĹźeniem nowoczesnych systemĂłw produkcji jest wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;nie uniwersalnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; oraz elastycznoĹ&#x203A;Ä&#x2021;. W znacznej mierze od integratora zaleĹźy, w jakim stopniu projektowany system speĹ&#x201A;ni oczekiwania inwestora oraz uĹ&#x201A;atwi jego produkcjÄ&#x2122;, ze szczegĂłlnym naciskiem na jej zmiennoĹ&#x203A;Ä&#x2021; i personalizacjÄ&#x2122; wyrobu docelowego.

Krajowe MĹ&#x161;P coraz czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ciej poszukujÄ&#x2026; przewagi konkurencyjnej na polu czasu reakcji na realizacjÄ&#x2122; nowych zamĂłwieĹ&#x201E;, mniejszych wolumenĂłw produktu i ich personalizacji. Tym samym zrobotyzowane systemy produkcji muszÄ&#x2026; realizowaÄ&#x2021; takie wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;nie wymagania. StÄ&#x2026;d obecnie rosnÄ&#x2026;ce wymagania stanowiÄ&#x2026;ce wyzwania dla integratorĂłw. Integrator obecnie jest bardziej partnerem przedsiÄ&#x2122;biorcy na drodze do jego rozwoju, niĹź tylko firmÄ&#x2026; usĹ&#x201A;ugowÄ&#x2026;. Takie podejĹ&#x203A;cie wymaga dobrego kontaktu miÄ&#x2122;dzy stronami oraz duĹźego zaufania, a o sukcesie projektu stanowiÄ&#x2026; A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

A korzyĹ&#x203A;ci pĹ&#x201A;ynÄ&#x2026;ce z pracy wykonywanej Ĺ&#x203A;ciĹ&#x203A;le pod potrzeby inweniezwykle waĹźne jest, aby nie tylko elementy systemu zapewstora i realizowanej w sposĂłb zgodny ze sztukÄ&#x2026; inĹźynierskÄ&#x2026;. Jak niaĹ&#x201A;y bezpieczeĹ&#x201E;stwo, ale teĹź caĹ&#x201A;a instalacja. Oczywistym jest, zatem moĹźe wyglÄ&#x2026;daÄ&#x2021; taka wspĂłĹ&#x201A;praca idealna przy realizacji Ĺźe nawet jeĹ&#x203A;li robot i zamocowany na nim chwytak standardowy aplikacji, ktĂłrej zaĹ&#x201A;oĹźeniem jest uniwersalnoĹ&#x203A;Ä&#x2021;, Ĺ&#x201A;atwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; programajÄ&#x2026; oznaczenie CE, nie oznacza to, Ĺźe takie poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenie jest mowania i bezpieczeĹ&#x201E;stwo uĹźytkownika? bezpieczne. Na tym tle dla aplikacji wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych szczePierwszym i niezwykle istotnym etapem jest przeprowadzenie gĂłlnie waĹźne jest takie poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czenie elementĂłw i zaprojektowanie audytu technologicznego, w ktĂłrym nadrzÄ&#x2122;dne miejsce zajmÄ&#x2026; nowych detali, aby caĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; instalacji speĹ&#x201A;niaĹ&#x201A;a niezbÄ&#x2122;dne warunki wymagania dla instalacji. Jest to niezwykle waĹźny etap przedbezpieczeĹ&#x201E;stwa. Tutaj decydujÄ&#x2026; projektanci narzÄ&#x2122;dzi i oprzyrzÄ&#x2026;stawiania przez przedsiÄ&#x2122;biorcÄ&#x2122; zakresu prac, jaki realizowaÄ&#x2021; ma dowania dla robotĂłw kolaborujÄ&#x2026;cych. Tu szczegĂłlnie istotne jest system, planowanych sposobĂłw jego wykorzystywania, ze szczeto, aby rĂłwnieĹź narzÄ&#x2122;dzia, np. elementy chwytajÄ&#x2026;ce, czy realizujÄ&#x2026;ce dane technologie, speĹ&#x201A;niaĹ&#x201A;y zaĹ&#x201A;oĹźenia bezpieczeĹ&#x201E;stwa do gĂłlnym naciskiem i uwzglÄ&#x2122;dnieniem przewidywanych uniwersalnoĹ&#x203A;ci instalacji. JuĹź na tym etapie jest istotne, aby integrator pracy z czĹ&#x201A;owiekiem. Zdarza siÄ&#x2122;, Ĺźe ten element projektu stanowi dogĹ&#x201A;Ä&#x2122;bnie rozumiaĹ&#x201A; oczekiwane przez inwestora funkcjonalnoĹ&#x203A;ci najwiÄ&#x2122;ksze wyzwanie dla firmy integratorskiej. Zgodnie z najinstalacji. W tym miejscu bardzo waĹźny jest rĂłwnieĹź dialog, jaki nowszymi zapowiedziami firmy Schunk, pierwszy certyfikowany prowadzony jest miÄ&#x2122;dzy stronami. WysĹ&#x201A;uchanie i zrozumienie chwytak przemysĹ&#x201A;owy przeznaczony do wspĂłĹ&#x201A;pracy z czĹ&#x201A;owiepotrzeb to jedno, a naniesienie na nie maski wykonalnoĹ&#x203A;ci, jest kiem bÄ&#x2122;dzie dostÄ&#x2122;pny w Polsce juĹź wiosnÄ&#x2026; 2018 r. Chwytak dwujuĹź zadaniem integratora. Musi tu dojĹ&#x203A;Ä&#x2021; do wypracowania pewpalczasty EGP-C bÄ&#x2122;dzie speĹ&#x201A;niaĹ&#x201A; wymagania specyfikacji ISO/ nego kompromisu, miÄ&#x2122;dzy oczekiwaniami osoby czasem mniej TS 15066, a tym samym, jako jednostka z odpowiednim zĹ&#x201A;Ä&#x2026;czem, zorientowanej technicznie, co do projektu oraz wykonawcyâ&#x20AC;&#x201C; bÄ&#x2122;dzie z natury dedykowany do robotĂłw wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cych [9]. integratora w zakresie moĹźliwoĹ&#x203A;ci technicznych jego przeprowaNieco lepiej wyglÄ&#x2026;da problem robotĂłw nieogrodzonych, ktĂłre dzenia. PrzekĹ&#x201A;ada siÄ&#x2122; to bezpoĹ&#x203A;rednio na dokĹ&#x201A;adne okreĹ&#x203A;lenie realizujÄ&#x2026; prace bez mechanicznych osĹ&#x201A;on, a bezpieczeĹ&#x201E;stwo budĹźetu wdroĹźenia, jak i po podpisaniu umowy â&#x20AC;&#x201C; na etap prozapewnione jest przez systemy sterowania i kontroli. Tutaj rĂłwjektowania instalacji. MoĹźna podsumowaÄ&#x2021;: poczÄ&#x2026;tek wspĂłĹ&#x201A;pracy nieĹź naleĹźy zwrĂłciÄ&#x2021; szczegĂłlnÄ&#x2026; uwagÄ&#x2122; na wyposaĹźenie takiego to wsĹ&#x201A;uchanie siÄ&#x2122; w potrzeby klienta, urealnienie jego wizji pod stanowiska. Czy wykorzystana peĹ&#x201A;na dynamika ruchu robota kÄ&#x2026;tem moĹźliwoĹ&#x203A;ci technicznych. Tu pojawia siÄ&#x2122; pierwsze wyzwanie bÄ&#x2122;dzie przyczynÄ&#x2026; np. wyrzucenia przenoszonego ciÄ&#x2122;Ĺźkiego nie dla integratora. Musi on posiadaÄ&#x2021; szerokÄ&#x2026; i najnowszÄ&#x2026; wiedzÄ&#x2122; przedmiotu, stanowiÄ&#x2026;c potencjalne zagroĹźenie? O ile samo w danym obszarze. ByÄ&#x2021; Ĺ&#x203A;wiadomy nowych rozwiÄ&#x2026;zaĹ&#x201E; dostÄ&#x2122;pnych narzÄ&#x2122;dzie moĹźe byÄ&#x2021; â&#x20AC;&#x17E;mniej bezpieczneâ&#x20AC;?, o tyle caĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; aplikacji winna zapewniaÄ&#x2021; najwyĹźsze wymagane standardy ochrony. Dla na rynku tak, aby w maksymalnym stopniu speĹ&#x201A;niÄ&#x2021; oczekiwania projektu. ReguĹ&#x201A;Ä&#x2026; jest teĹź, Ĺźe w parze z nowoczesnymi rozwiÄ&#x2026;zarobotĂłw niekolaboracyjnych, a pracujÄ&#x2026;cych bez ogrodzeĹ&#x201E;, jedyniami w dziedzinie sprzÄ&#x2122;towej idzie rozwĂłj systemĂłw sterowanymi ich osĹ&#x201A;onami, sÄ&#x2026; te programowe. StÄ&#x2026;d tak waĹźny dla tych nia oraz oprogramowania i, co siÄ&#x2122; z tym wiÄ&#x2026;Ĺźe, wprowadzania projektĂłw aspekt bezpiecznego oprogramowania i sterowania zmian i ulepszeĹ&#x201E; w aplikacjach. Coraz bardziej rozbudowane instalacjÄ&#x2026;, gdyĹź na tym bazuje bezpieczeĹ&#x201E;stwo pracy caĹ&#x201A;ego staalgorytmy i technologie chmur obliczeniowych sprawiajÄ&#x2026;, Ĺźe przy nowiska. ich pomocy, nawet relatywnie proste rozwiÄ&#x2026;zanie techniczne znaSam proces posadawiania aplikacji na terenie zakĹ&#x201A;adu prokomicie wpisuje siÄ&#x2122; w wymagania przedsiÄ&#x2122;biorcy, w peĹ&#x201A;ni zaspodukcyjnego jest rĂłwnieĹź niezwykle istotnym elementem procesu kajajÄ&#x2026;c jego potrzeby. implementacji stanowisk zrobotyzowanych. Ma on, dla aplikacji, OgĂłlnie moĹźna zauwaĹźyÄ&#x2021; tendencjÄ&#x2122; wĹ&#x203A;rĂłd samych dostawcĂłw ktĂłre bazujÄ&#x2026; na wspĂłĹ&#x201A;pracy czĹ&#x201A;owieka z robotem, nieco inny wyposaĹźenia do oferowania produktĂłw otwartych, podatnych na wymiar niĹź dla robotĂłw oddzielonych od przestrzeni czĹ&#x201A;owieka. zmiany, z moĹźliwoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026; ich rozwoju w przyszĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci, bazujÄ&#x2026;cego na W przypadku tych pierwszych bardzo waĹźnym aspektem bezpiezmianach jedynie programowych, ktĂłre skutkujÄ&#x2026; zmianami funkczeĹ&#x201E;stwa sÄ&#x2026; systemy sterowania i kontroli, obecnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; czujnikĂłw i ich wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwe oprogramowanie. O ile w przypadku oddzielenia cjonalnoĹ&#x203A;ci. Dobrym przykĹ&#x201A;adem sÄ&#x2026; nowoczesne spawarki, ktĂłre majÄ&#x2026; róşne zakresy mocy, a sam system sterowania pozwala czĹ&#x201A;owieka od strefy pracy robota to najczÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ciej sygnaĹ&#x201A; stopu na dogrywanie i rozwĂłj urzÄ&#x2026;dzenia od podstawowego, do tego awaryjnego, sprzÄ&#x2122;Ĺźony z dedykowanym do tego celu sterowniz zaawansowanymi parametrami kontroli pracy. Wydaje siÄ&#x2122;, Ĺźe kiem bezpieczeĹ&#x201E;stwa, zapewnia bezpieczeĹ&#x201E;stwo, o tyle w przykierunek taki zyska na popularnoĹ&#x203A;ci i przypadku kooperacji czĹ&#x201A;owieka z robotem waĹźne czyni siÄ&#x2122; w pewnej mierze do przeniesienia jest takie opracowanie algorytmĂłw systemu funkcjonalnoĹ&#x203A;ci z poziomu sprzÄ&#x2122;tu na poziom i sterowania, aby to na tym etapie zapewnione programowania. StÄ&#x2026;d juĹź tylko krok do np. zostaĹ&#x201A;o bezpieczeĹ&#x201E;stwo.

PodsumowujÄ&#x2026;c, w toku realizacji projektu wykupienia czasowej licencji, na potrzeby konkretnego projektu, dla podniesienia pararobotyzacji procesu produkcji niezwykle metrĂłw uĹźytkowych urzÄ&#x2026;dzenia, a nastÄ&#x2122;pnie istotna jest Ĺ&#x203A;wiadomoĹ&#x203A;Ä&#x2021; uczestnikĂłw procesu powrotu do parametrĂłw â&#x20AC;&#x17E;standardowychâ&#x20AC;?. o wzajemnych uwarunkowaniach. To inwestor WiedzÄ&#x2122; takÄ&#x2026; winien mieÄ&#x2021; wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;nie integrator decyduje o parametrach wejĹ&#x203A;ciowych do prona etapie wspĂłlnego wypracowania zaĹ&#x201A;oĹźeĹ&#x201E; do jektu, integrator odpowiada za opracowanie projektu, aby optymalizowaÄ&#x2021; go pod kÄ&#x2026;tem techniczne (czasem teĹź technologiczne) rozzarĂłwno parametrĂłw wartoĹ&#x203A;ci inwestycji, jak wiÄ&#x2026;zania i uzgodnienie z uĹźytkownikiem docei eksploatacji stanowiska w czasie. lowych, moĹźliwych technicznie do osiÄ&#x2026;gniÄ&#x2122;cia W kolejnym kroku, na etapie projektu, parametrĂłw wdroĹźenia. JednoczeĹ&#x203A;nie to na waĹźne jest, aby zachowaÄ&#x2021; ciÄ&#x2026;gĹ&#x201A;Ä&#x2026; Ĺ&#x203A;wiadomoĹ&#x203A;Ä&#x2021; firmie wdroĹźeniowej spoczywa takie zapropotrzeb w relacji do moĹźliwoĹ&#x203A;ci technicznych. jektowanie stanowiska, ktĂłre zapewnia bezPrzechodzÄ&#x2026;c przez kolejne etapy powstawania pieczne uĹźytkowanie w chwili, gdy zĹ&#x201A;oĹźone aplikacji warto zaangaĹźowaÄ&#x2021; w proces wdraĹźaw caĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; poszczegĂłlne, bezpieczne elementy nia projektu rĂłwnieĹź uĹźytkownika, gdyĹź kaĹźdy systemu nie dajÄ&#x2026; takiej gwarancji. To wysiĹ&#x201A;ek etap wspĂłĹ&#x201A;pracy winien byÄ&#x2021; przeprowadzany projektantĂłw nadaje instalacji ksztaĹ&#x201A;t docew silnym kontakcie z zamawiajÄ&#x2026;cym. W fazie lowy z finalnym zapewnieniem bezpieczeĹ&#x201E;stwa Rys. 6. Certyfikowany chwytak firmy projektowania zarĂłwno instalacji, w ktĂłrych Schunk do aplikacji HRC kupionych i zaprojektowanych elementĂłw systemu poĹ&#x201A;Ä&#x2026;czonych w caĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; funkcjonalzaĹ&#x201A;oĹźeniem jest obecnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; czĹ&#x201A;owieka w obszarze Fig. 6. A certified Schunk gripper for pracy robota, jak i robotĂłw kolaborujÄ&#x2026;cych HRC applications nego rozwiÄ&#x2026;zania.

Pg

<

$ >

$ ! ] ! % 2. StaszyĹ&#x201E;ski M., Roboty przemysĹ&#x201A;owe poczÄ&#x2026;tku wieku, â&#x20AC;&#x17E;Projektowanie i Konstrukcje InĹźynierskieâ&#x20AC;?, Nr 1/2 (04/05), 2008, 9â&#x20AC;&#x201C;17.

3. [https://www.spidersweb.pl/2016/09/roboetyka.html] â&#x20AC;&#x201C; 22.12.2017.

4. [https://ifr.org/downloads/press/English_Press_Release_IFR_World_Robotics_Report_2017-09-27.pdf] â&#x20AC;&#x201C; 10.12.2017.

5. [https://automatykab2b.pl/gospodarka/10674-rynekrobotow-wspolpracujacych---950-mln-dolarow-w-2024roku#.WlXy-DQiGpr] â&#x20AC;&#x201C; 12.12.2017.

6. Kulik J., RamiÄ&#x2122; w ramiÄ&#x2122; z robotem. Jak wspĂłĹ&#x201A;praca robotĂłw i ludzi uksztaĹ&#x201A;tuje robotykÄ&#x2122; przyszĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci, â&#x20AC;&#x17E;Automatykaâ&#x20AC;?, 9/2015, 102â&#x20AC;&#x201C;103.

7. [https://www.iso.org/news/2016/03/Ref2057.html] â&#x20AC;&#x201C; 17.10.2017.

8. [http://automatykaonline.pl/Artykuly/Robotyka/Robotywspolpracujace.-Specyfikacja-techniczna-ISO-TS-15066] â&#x20AC;&#x201C; 12.12.2017.

9. Pierwszy przemysĹ&#x201A;owy certyfikowany chwytak wspĂłĹ&#x201A;pracujÄ&#x2026;cy, â&#x20AC;&#x17E;Automatykaâ&#x20AC;?, Nr 12/2017, 72â&#x20AC;&#x201C;73.

Warto na koniec jeszcze raz podkreĹ&#x203A;liÄ&#x2021; fakt, Ĺźe nadanie znaku CE poszczegĂłlnym elementom instalacji, nie jest rĂłwnoznaczne z CE dla caĹ&#x201A;ej instalacji. Ma to szczegĂłlny wymiar dla stanowisk z robotami kolaboracyjnymi, gdzie ewentualny wypadek moĹźe byÄ&#x2021; szczegĂłlnie dotkliwy z racji bezpoĹ&#x203A;redniej bliskoĹ&#x203A;ci czĹ&#x201A;owieka i manipulatora oraz trudnoĹ&#x203A;ci w obiektywnej ocenie przez pracownika poprawnoĹ&#x203A;ci pracy instalacji, w tym w szczegĂłlnoĹ&#x203A;ci w zakresie bezpieczeĹ&#x201E;stwa.

W obecnej chwili Ĺ&#x203A;miaĹ&#x201A;o moĹźna powiedzieÄ&#x2021;, Ĺźe rodzi siÄ&#x2122; nowy rozdziaĹ&#x201A; historii robotyki. W tworzonej i wdraĹźanej idei PrzemysĹ&#x201A;u 4.0, roboty kolaborujÄ&#x2026;ce stanowiÄ&#x2026; o nowej jakoĹ&#x203A;ci systemĂłw produkcji i wytwarzania. Coraz wiÄ&#x2122;ksze moĹźliwoĹ&#x203A;ci, tak w aspekcie technicznym, a moĹźe przede wszystkim sterowania i kontroli, pozwalajÄ&#x2026; robotyce wkraczaÄ&#x2021; na coraz nowe pola aktywnoĹ&#x203A;ci i moĹźna zaryzykowaÄ&#x2021;, Ĺźe coraz lepiej do stanu dzisiejszej i przyszĹ&#x201A;ej robotyki pasuje okreĹ&#x203A;lenie, Ĺźe â&#x20AC;&#x17E;granicÄ&#x2026; jest tylko wyobraĹşniaâ&#x20AC;?.

X & 1. Sciavicco L., Siciliano B., Modelling and Control of Robot Manipulators, Springer â&#x20AC;&#x201C; Verlag London Limited, 2000.

0 " @ E 7 " " = " QK 4!

The subject of the article is to present the specifics of robotization of small and mediumsized production enterprises (SMEs) in Poland, in particular including cooperative and collaborative robots (cooperation, collaboration). Current global directions and trends in the development of industrial robotics in these areas will be presented at the same time, the article presents the security aspect as the most important element of direct human-robot interaction. Those two directions of cooperation between man and robot, which are gaining increasing popularity, are in practice already implemented at production sites. To zoom in, the first of these is cooperation, understood here as a cooperation between man and robot, almost standard (in the control version commonly known as safety), without fences. In turn, the second one is collaboration and under this concept, for the purposes of this study, it means the cooperation of the person â&#x20AC;&#x17E;shoulder to shoulderâ&#x20AC;?, with the robot.

Keywords0 E E QK E E

-,

2

-,

2 >

) %

) %

>E / 8 S / % I M E @ " 0 "

E = @ I " @ = M $ %

# / " M Q R E / @ % > D M = " E 0 " =M @

E M " @ " E %

PM

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

% @ $ H E QMKPLaQKF + KK E Q?KGQO

Informacje dla Autorรณw / > ; !

E # ; ! Ka KGQg +

$ > # j

; $ ! :

$

$

D ! $ ! ! B $ ! :

$ ;

$ ! ; ;

X$ $ ; DBY+ b

B # $

; D

$ ; !

# ; $

+

Wskazรณwki dla Autorรณw &

' ,

@ ; ! $ L Pomiary Automatyka Robotyka j B

* & > X

OG Y B

;

> B @ ?@

!

L D X $

!

!

Y

>

X $ B ] Qย G>KGG Y B

;

> Xย >O Y B

B ; ;

> ! B]j > B X $ + ; Y

> ! !

B

B ;

> $ B

B ;

> ?; D ? ! B $ * + + !

+ ; $ + `

! ] + gGG ! + QGGG ]

; ! ; D ] +

@ j $ B ]j

G F ! ;

j $ B ] Q ! ; XMG GGG $ gGGG K

Y ! + O # ; + !

B $ B ]j ;

! B] + Nie drukujemy komunikatรณw! b $ j ! $ ; D @

X B Y $ B ] ย GG>Pย G

* ; D + ! ; $

!

B

; + % ! $

: j +

) .$4 4 '

& ย %

,

,ย 7

ย + @

! ! ]j ]j + @

! ! $ ! !

;

; + /

]j

! B $ j ! $ @

$ j ; ! !

B m ! + ? %

$ 7 4 7 ) 4

;

B + ! ] + %

! # j !

> ! @

D B

$ ; D + b

;

* ; !

B ! + ! # $

! +

Kwartalnik naukowotechniczny Pomiary Automatyka Robotyka jest indeksowany w bazach BAZTECH, Google Scholar oraz INDEX COPERNICUS N8 F ,&*6G -$ ,4O S w bazie naukowych E S " ARIANTA. Punktacja MNiSW E . N % *,,4O% I I C P " E E w kwartalniku naukowotechnicznym Pomiary Automatyka Robotyka.

Pย

HEÂ&#x161;\ @. C b[@ @U \ Â&#x203A;

?% '

%

, ' , 6

!

L ; Pomiary Automatyka Robotyka

! # B E # ; !

B ! ! ; ! @

; ! @ ?@

! !

B

! ! !

] ! ; & 1.

6

( &

wymieniowego Autora &

>

! + ^; _ + ! ! @

$ $

! $ $ $ ; + 2.

6 & 6

,

7 Â&#x201A; 7

jej powstanie > & > ! # $ !

; B! $

$ $

? ! B

$

> ! # B

! ^; ;_ + B

$ !

! B

$

; ! $ Â&#x2122;

PF

P

O

M

I

A

! !

!

! ! B ! #

!

; ! ! $ +

3.

6 Â&#x201E; 7 , Â&#x192;

EÂ&#x201A; 7 ,

'

> !

D $

L$ !

$ !

; ! *

m ! ] ! B# + ^D ! _ > * $ ;

! : $ * $ ! B D $ ! :+

5

7 %

$ #

* !

*

$ !

$

*

#

>

#

j ; j ] ! + / ! ?

] # +

q

przeniesienie praw ' ,

7

'

++*XÂ&#x2026; / B ! $ B

! B+ U !

!

!

+ ! ;

!

; +

Redakcja kwartalnika Pomiary Automatyka Robotyka ) %

5

% ! $ L % @ $ !

B

b\H +&

' ( Q ( ( R "" Q < / " 0 Quercus robur L. w zakresie 460â&#x20AC;&#x201C;820 nm, â&#x20AC;&#x17E;Pomiary Automatyka Robotykaâ&#x20AC;?, ISSN 1427-9126, R. 22, Nr 1/2018, 5â&#x20AC;&#x201C;10, DOI: 10.14313/PAR_227/5.

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

czasopisma

pomiary

www sprawdzian

miara

POLSPAR

eksperyment

automatyka PIAP

seminarium

kalendarium

szkolenie

kwartalnik

federacja

nauka

publikacje

automatyka

stowarzyszenie

HORIZON 2020 # innowacje organizacja projekt konkurs

konferencje

relacja

POLSPAR

POLSA

publikacje

AutoCAD streszczenie

agencja kosmiczna

dr h.c.

innowacje

IFAC

ZPSA

!m

profesura

recenzje

relacja

szkolenie

doktorat

robotyka seminarium

sterowanie

I

esa

szkolenie

78

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR

1/2018

Â&#x153;b@ /CEH@

( MS 0 ' (

- B

2 6

- ,

! $ $3 - $

- ,

3 - $ - $

- 3

-

$

C

!

3 , -

-

$ $2 F ())G 2

"

- - & - 4 -

-

&4 3 ,

,

4 - 3 0 !

!

& , % -

" , -

, - ,

4 - 2

$

-

" $ ,

3

3

B

B

2

Foreign Member Finnish Society of Sciences and Letters

*

+ / $ ; ; Â&#x161; * ! [ X Â&#x161; Y+ D: !

QOgO

+ @ ! $ gOF

a

KÂ&#x152;Q QKF ; + b @ ! ! & D #

+

Doctor Honoris Causa % *

Kg KGQP +

!

+

$ ; U

*+ @ / V < ; + % *

; U + + ! ; # ^E V b V U

! % ;_+

Fellow IET H * C ; ; ! ; ; B <

H !

E ! + ! $ HC ! B [ ! + % ! HC ! ; ! ] # HCCC

L ; ] + % QO m!

KGQP + *

Â&#x161; HC # HC +

2

$ !2

2

Janusz Kacprzyk >P = J ( M > " P K " L L 8KKK P = M 8KKK " 8 = 8KKK

( " P = M Q ( 0" % B 8 L " > N8L >O = < B C " % ' E " / K / N*+-&O% I E *+-- % 8 B " >P% < "S E *++& % " MT 0 = % B 0 " I " # > / / B Q % ' " 4&& E " .& " % 0 0 %

! ;

Pa

Â&#x153;b@ /CEH@

OG

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;¢

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;¢

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

% @ $ H E QMKPLaQKF + KK E Q?KGQO

OQ

Â&#x153;b@ /CEH@

OK

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;¢

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;¢

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

% @ $ H E QMKPLaQKF + KK E Q?KGQO

Kalendarium wybranych imprez Data konferencji

; :

Informacje dodatkowe

16th HÂ&#x161;@.?HCCC H * . % $ * ; HE.\ KGQO

QQ>Qg ? GF ? KGQO gQ ? QQ ? KGQP

Bergamo

www: &?? + KGQO+ ; mail: T KGQO+ ;

QOth HÂ&#x161;@.?HCCC H! D Â&#x153; Hb KGQO

a>QQ ? GP ? KGQO O ? QK ? KGQP

Sztokholm Szwecja

www: + + + ? !KGQO mail: + Â&#x17E;V T + +

15th International Conference H * .

@ ! $ H.HE.\ KGQO

Ka>gQ ? GP ? KGQO Qg ? Gg ? KGQO

Porto % ;

www: http://www.icinco.org mail: +

T + ;

QKth HÂ&#x161;@.

HCCC @ $ .

Â&#x153; \.\ KGQO

KP>gG ? GO ? KGQO a ? GM ? KGQO

< !

B;

www: &?? + KGQO+ ;? mail:

T KGQO+ ;

QGth HÂ&#x161;@. Â&#x161; b

V ! * * %

@Â&#x161;C% \.C KGQO

Ka>gQ ? GO ? KGQO F ? QQ ? KGQP

%

www: &?? * QO+ + ; + mail: * QOT + ; +

ccHH H C \ ! . ; KGQO

g>P ? Ga ? KGQO gQ ? GQ ? KGQO

< * Wielka Brytania

www: &?? + KGQO+ ;?

15. Krajowa Konferencja $

Â&#x152;>a ?Ga ?KGQO gQ ? Gg ? KGQO

Polanica-Zdrój %

www: http://kkr13.pwr.wroc.pl/ mail: T + ! +

Nazwa konferencji

11th IFAC Conference on . @

$ ! f .@ KGQO

QG>QK ? Ga ? KGQO P ? GÂ&#x152; ? KGQO

\ Chorwacja

www: &?? * L KGQO+ ? mail: KGQOT* +

39th International Conference H *

@

! ; H @ KGQO

QF>QO ? Ga ? KGQO QM ? GÂ&#x152; ? KGQO

E %

www: &?? + + + ! + mail: T + ! +

QPth HÂ&#x161;@. .

@ * \ .@\ KGQO

QÂ&#x152;>Qa ?QG ?KGQO QÂ&#x152; ? GM ? KGQO

$ ;

QGth HÂ&#x161;@.

H ; @ f H@f KGQa

g>Â&#x152; ? GF ? KGQa Qa ? QQ? KGQO

=! : %

www: &?? + ;+;! + ? VKGQa mail: VKGQaT ;+;! +

gG ? GF > M ? GP ? KGQa QÂ&#x152; ? GQ ? KGQa

Kraków %

www: &?? ¡ KGQa+ mail: ; T ¡ KGQa+

QK>QP ? GP ?KGKG

Berlin Niemcy

www: &?? + * KGKG+ ;

15th IFToMM World . ; KGQa KQ HÂ&#x161;@. ! . ;

www: &?? KGQO+ + ?

Og

\EÂ&#x161;C CE. C H /@%\ HCb¢

15. Krajowa Konferencja Robotyki

$ H O C

()*+ 2 !B

B *H

!

2 U

!B "

! X

-

-

Y '

[; 2

Inicjatywa organizowania Krajowych * $ B QaOG+ * D $ ! :

$ % + % ; !

;

$ ! $

$ B& . % ; < ! : % ! . % ; < ! : + % # / E Lb ! !

; ! @ $ +

$ B *

: H . $ %

; ; # B !

$ L + % *

; L zowanie Krajowych Konferencji Robotyki

H . $

% + B ! B ! ! gG + / ! * $ ; ; !

$ !

! ! $ % + b B *

L ! ] ! $ ! !

*

! ! ! ! $ ! ! ]

$ ! :

$ + * ! # ; B$ ;

L ; ] ! $ +

84

P

O

M

I

A

R

! *

* $ !

B Â&#x2122; + +

;

$ + *

E ! $

â&#x20AC;&#x201D; Archives of Control Sciences

â&#x20AC;&#x201D; Archives of Civil and Mechanical Engineering

â&#x20AC;&#x201D; Bulletin of the Polish Academy of Sciences

â&#x20AC;&#x201D; Foundations of Computing and Decision Sciences

â&#x20AC;&#x201D; Journal of Automation, Mobile Robotics & Intelligent System

â&#x20AC;&#x201D; International Journal of Applied Mathematics and Computer Science.

* $ B L $ & â&#x20AC;&#x201D; !

â&#x20AC;&#x201D; ;

â&#x20AC;&#x201D;

! : ! :

â&#x20AC;&#x201D;

;

â&#x20AC;&#x201D;

â&#x20AC;&#x201D; $

â&#x20AC;&#x201D; $ $

â&#x20AC;&#x201D; $ ;

â&#x20AC;&#x201D; $ ; !

â&#x20AC;&#x201D; $ ! $

â&#x20AC;&#x201D; $

>

$

â&#x20AC;&#x201D; $

â&#x20AC;&#x201D; $

$

â&#x20AC;&#x201D; $

â&#x20AC;&#x201D; ! $ +

! ! *

$ gK $

B ! : $ + b

! : L

; j ! B j H

B

+ ! ! B

@/\E X@ / $ \ E Y

; . ! E % Â&#x2122; *

&?? $ + ?.

/; *

# ! j ! gQ KGQO + b ! $ $ L

; L

: + B * *

&?? + + ! +

! ! ! w konferencji.

0% ( 0 < Komitet Organizacyjny

Y

â&#x20AC;¢

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;¢

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

b

er

netyk

i i Roboty

a

i

K

*+ < > @ ! ( KGQPY

% ! * ; QGa

*

$

! %

X % Y \D B ! % X\ % Y+ b $ * L

! B B &

k

%

* $ !$ B %

] QaOÂ&#x152; + ! E ; m B _ # _ $ &

te

dra

Cy

% @ $ H E QMKPLaQKF + KK E Q?KGQO

*+ < j > H %

HH

*+ b > % H @ % X KGQÂ&#x152;Y

QaOO QKO *

M

! %

HHH

QaaG QGG *

K

! %

Hf

Qaag aG *

K

! %

f

Z ! L/!

QaaF ag *

K

! % +

fH

Z ! L/!

QaaO FF *

K

! %

fHH

[ ! L/!

KGGQ FO *

K

! %

*+ ! Â&#x161; ! > %

*+ " Â&#x161; > % Z B X QaaaY

*+ @ = > % X KGGÂ&#x152;Y

*+ " = > @ ! = L"

*+

: > % X QaaQY

*+ * > % X KGQPY

*+ > %

*+ " > % Z

*+ * > %

fHHH % L/!

KGGM FP *

K

!

A

*+ * > %

Hc

% KGGF FÂ&#x152; *

K

!

A

c

% KGGO PG *

K

! \ %

cH

KGQG Fg *

K

! \ %

cHH

Z ! L/!

KGQK FÂ&#x152; *

K

! \ %

*+ " [ ] > % X KGGaY

! #+ %

> % X KGQQY

*+ ! > % H @ % X KGQFY

*+ @! > % X KGGQY

*+ @ E ! : > % Z

*+ E > % X KGQKY

*+ Â&#x161; % > H < ! :

*+ ! % > % % :

*+ % > %

cHHH ! L/!

KGQM PQ *

K

! \ %

*+ > @ ! = L"

cHf % L/!

KGQF FQ *

K

! \ %

*+ @ m > % % : X KGGgY+

cf % L/!

KGQO

; +

OÂ&#x152;

%\[C.@E@ HÂĽÂ&#x192; @

The Sense of Style

; B ; + % ! ; B! ] B !

B ; + / > !

B ^

; _ > !! ; ; + E m ; *

+ . #$ $ B $ \ ¤ # ! # + $ ; V %

B ; ! B

] + b $

$ j ; !

! ;

]

B + E : ! ! Bj ;

$ ]

! # + % ! # B]j ; !

!

!

B; ; + B # # * ! # j # ; $

;B ! $ +

â&#x20AC;&#x17E;â&#x20AC;&#x2DC;Superb, articulate, urbane and wittyâ&#x20AC;&#x2122; The Times, Books of the Year.â&#x20AC;?

Jeden z najbardziej znanych psychologĂłw na ] ] ! $ ! B ! ! B

; # !! < = V % U

" V ! ! # B The sense of style. The thinking personâ&#x20AC;&#x2122;s guide to writing in the 21st century. !

# ! ! # B > ; ; $ $ ! $

! ! $ B ! + \ ; # ; ! ! # ! $

^ D j

$ j _+ %

! ] ! ! ! $

+ + B $ = ! > ; # + # !!m B ; ] > @ ; ^ C _ ^ ! _ ! # ; ;

# KGQM +

86

P

O

M

I

A

R

Steven Pinker, The Sense of Style. The Thinking Personâ&#x20AC;&#x2122;s Guide to Writing in the 21st Century, Wydawnictwo Penguin Books, 2014, ISBN 978-0241-957771-4, str. 360.

% $ ! j ! $

B ! $ ]

! $ ; !

+ < $ ! ! !

-

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

> Y " 8 > " " M PIAP

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

ilustracje: Steven Pinker, The Sense of Style. The Thinking Personâ&#x20AC;&#x2122;s Guide to Writing in the 21st Century, str. 80, 113

" The Sense of Style2 #$ #$

, \ ]

,

$ (* ^

% _

,

-

()*` 2

\EÂ&#x161;C CE. C H /@%\ HCb¢

International Interdisciplinary PhD Workshop 2018

&& $' " - B -3

-

-

- ,

C $3

"

,

2

; ! !$B! B Z ] ! a>QK KGQO + U ! % E .

B;

+

; % XKGGa + > % B$ KGQQ + > / =

KGQÂ&#x152; + > B! !

KGQP + > A !mY ; XKGQg + KGQF + > <

.

KGQM + >

Y+ /

* $ B

; B B $ B * B

B # B ! $ # B

B ] ! + . * # !

! $ $B! ; ! ] ! ! ;

$

] + %

! * ! ! H H $ * $

$

! + b # ! * ; B ! ] ! !

; ! ! + + Â&#x161;

@ Z ] + % ! * !

* $ + ] !

! *

*

! ] ! $

! ! ; ! + *

% @ ! E

C % %

C

+

% HCCC

! !! & ; .

X=! : Y+ \ ; B *

+ E

! B ]j ! ; *

! # ] ! *

! + /

Komitet Organizacyjny

OP

%\[C.@EC HÂĽÂ&#x192; H

= " E M "

" . &

7

,

" "

FYF#q 4

8 82 4 -

"

4 -

# $

$ -

2

Podobnie jak w przypadku tomu pierwszego (kwartalnik Pomiary Automatyka Robotyka, Nr 3/2017, str. 104) oraz drugiego (kwartalnik Pomiary Automatyka Robotyka, Nr 4/2017,

+ QGMY # ! ! !

j

! ! B ! B

;

$ + # ! B ! ! $ !

B ; ccH + . ]j X

! ;

Y B $ B $

zagadnienia robotyzacji procesĂłw przemy +

; ! !

: D > @<< Â&#x161;@EU. U @ H U<H "H+ # !

$ B ;

! + . ]j # ! ;

!

; !

D;

;

robotĂłw. # !

Bj ; ! + / ; B!

]j # j ! ;! # ! D $

$ j

aplikacje robotyczne.

B: &

& nie robotĂłw > #! ! !

# $ j ! ! ! D + !

B ! ! D B -

;

; B!

B!

; + b

; B ; > ! ! + @

!

B ;

$ B B ! ;

$

! L `L $ ! + \ ; B programowania robotĂłw. .

&

robotĂłw > !

B! ! ! * ; > !

B!

B! !

B! ! # $ + #

* ! !

kinematyki i przytoczono zasady notacji b V L" $ ; + . &

7 , _ > ] B $ ! D & â&#x20AC;&#x201D; @<< >

H .Â&#x152; $

\ >

Â&#x2122; Â&#x161; i% ! > $

$ B ;

@%HbÂ&#x2122; â&#x20AC;&#x201D; Â&#x161;@EU. >

LgG <

LgG < % % ! > $ Â&#x2122; â&#x20AC;&#x201D; $ C >

. PÂ&#x152;GLh

Â&#x152;F < B ; * L< fÂ&#x2122; â&#x20AC;&#x201D; U @ >

.M

%@b > panel nauczania robotĂłw.

! #! D

! * ! ;

;

$

D;

$ ; + PorĂłwnanie sposobu sterowania i progra $ @<< Â&#x161;@EU. H U<H "H U @ > ! ! !

B kĂłw programowania robotĂłw na podstawie $

+ @

: 7 & wania robotĂłw >

! B ;

; ] # ! & â&#x20AC;&#x201D; B # !

! D

]< IS RCBC<X(> M ME

M = " E M " = %^

OO

P

O

M

I

A

R

Y

â&#x20AC;˘

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

â&#x20AC;˘

R

/ ( " ' . &

7

, / /P ,&*- 8 BP +-.@.$@&*@*+664@6 % ,.,%

â&#x20AC;&#x201D;

$ `L ; $ : D $

â&#x20AC;&#x201D; ;

> wane w przypadku robotĂłw kolaboracyj + @

! ;

samouczenia i automatycznego generowania kodu robota. ; & _ > # XKOY

D

XKKY+ Publikacja kierowana jest do studentĂłw

$

! #

!

*

# ! > ;

$ ;

#

$ #

# +

Q = ( " > " R E O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

37

Arkadiusz Adamczak, Marcin Nowicki

43

Aleksander A. Mikhal, Dmyto V. Meleshchuk, Zygmunt L. Warsza

49

Zygmunt L. Warsza, Serhii W. Zabolotnii

Zrobotyzowane stanowisko kabinowe typu Plug and Produce w koncepcji .

Hybrydowa metoda pomiaru i jej zastosowanie w wysokoprecyzyjnym temperaturowym mostku AC

1 7 , 7

, '

Â&#x2030;.33Â&#x160;

57

Igor Kurytnik, Zbigniew Juszkiewicz

59

/$ ; %

%

/ :

67

A

3 6

3 ( % &

7 7 ' , 7( , ,

& , 7 , , %

X

! ,

% 7 , 3C.