Pomiary Automatyka Robotyka 1/2018

Page 1

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

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

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 # ; ! % : + ƒ +

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, 5–10, 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 objawów zamierania drzewostanów dębowych w Europie jest wysoka defoliacja obserwowana u drzew o słabej zdrowotności. Na potrzeby corocznego monitoringu dotkniętych patogenem Phytophtora powierzchni badawczych projektu HESOFF w Zakładzie Teledetekcji Instytutu Lotnictwa podjęto próbę wytworzenia metodyki oceny defoliacji za pomocą lotniczych zdjęć wielospektralnych. W tym celu w lipcu 2015 r. za pomocą Platformy Wielosensorowej QUERCUS.6 wykonano zdjęcia lotnicze badanego kompleksu leśnego (zakres 0,46–0,82 Οm). Na podstawie zdjęć wykonano pomiar reflektancji dla kaşdego z badanych dębów oraz porównano pozyskane w ten sposób dane radiometryczne z ocenionym metodą tradycyjną poziomem defoliacji. Na podstawie uzyskanych korelacji wykazano, şe pomiar defoliacji jest moşliwy przy zastosowaniu kanałów optycznych: 0,46–0,52 Οm oraz 0,67–0,82 Οm. Wykazano ponadto, şe do poprawnego pomiaru defoliacji zaproponowaną w tym artykule metodą, konieczne jest uwzględnienie typu podszytu, który ma decydujący wpływ na obserwowaną reflektancję. ) 0 D E #>F 0

1. Wprowadzenie Defoliacja jest powszechnie rozumiana jako redukcja powierzchni asymilacyjnej drzewa w stosunku do wzorcowego drzewa o pełnym ulistnieniu i porównywalnych warunkach środowiskowych. Szerokość podstawowego przedziału oceny defoliacji metodami tradycyjnymi wynosi 5%, a zgodność jego wizualnej oceny przez niezaleşnych obserwatorów jest niewielka. Zastąpienie wizualnej oceny defoliacji przez technikę opartą na wykorzystaniu metod teledetekcyjnych jest zatem zasadne z dwóch powodów: moşliwości zautomatyzowania pomiaru defoliacji oraz ujednolicenia sposobu jej oceny [23]. W ramach prowadzonego w Instytucie Lotnictwa oraz Instytucie Badawczym Leśnictwa projektu HESOFF defoliacja jest stosowana jako jeden z parametrów oceny zdrowotności poraşonych patogenem Phytophtora dębów szypułkowych [3, 17]. Pozytywna korelacja między defoliacją a obecnością tego

$ ' 0 ' ( % ) % % $ *+%*,%,&*- % &,%&,%,&*. % ! "" # $%&

patogenu byĹ‚a wielokrotnie juĹź wykazywana [4], zatem majÄ…c na celu wypracowanie metodyki zdalnego oznaczania zdrowotnoĹ›ci naleĹźy uwzglÄ™dnić w niej teledetekcyjnÄ… ocenÄ™ defoliacji. Do chwili obecnej w zdalnej ocenie defoliacji stosowano róşnorodne metody. JednÄ… z najpowszechniej stosowanych jest analiza regresji indeksu LAI (ang. Leaf Area Index). W celu analizy tego współczynnika uĹźywane sÄ… technologie skaningu laserowego ALS (ang. Airborne Laser Scanning) [20] i analiza zdjęć satelitarnych, np. MODIS [19]. MetodÄ™ opartÄ… na fizycznym modelowaniu reflektancji poszczegĂłlnych komponentĂłw lasu w poĹ‚Ä…czeniu z zastosowaniem sieci neuronowych stosuje siÄ™ do pomiaru generalnego stopnia defoliacji caĹ‚ych kompleksĂłw leĹ›nych StanĂłw Zjednoczonych [24]. Do pomiaru defoliacji na poziomie subpikselowym prĂłbuje siÄ™ rĂłwnieĹź stosować analizÄ™ czynnikowÄ… zdjęć wielospektralnych wykonanych przez instrument ETM zamontowany na satelicie LANDSAT-7 [2]. Przytoczone metody stosuje siÄ™ przede wszystkim do danych satelitarnych o dość niskiej rozdzielczoĹ›ci przestrzennej. Wykonywanie analiz w oparciu o piksel terenowy rzÄ™du 250–1000 m (MODIS) lub chociaĹźby 30 m (LANDSAT-8) uniemoĹźliwia analizÄ™ defoliacji u poszczegĂłlnych osobnikĂłw (przeciÄ™tna Ĺ›rednica korony dÄ™bu na powierzchni badawczej projektu HESOFF w Krotoszynie wynosi okoĹ‚o 6 m). Dlatego podczas prowadzonych badaĹ„ wykorzystano zdjÄ™cia lotnicze. GĹ‚Ăłwnym celem przeprowadzonej pracy jest prĂłba oceny defoliacji na podstawie danych zebranych z powietrza. ZdjÄ™cia wielospektralne o rozdzielczoĹ›ci przestrzennej okoĹ‚o 25 cm zostaĹ‚y uĹźyte do wypracowania metody badawczej. Istotne jest

5

! ! ! * h $ [+ MFG>OKG

to, Ĺźe w tego typu pracach naleĹźy uwzglÄ™dnić wpĹ‚yw roĹ›linnoĹ›ci znajdujÄ…cej siÄ™ bezpoĹ›rednio pod koronÄ… drzewa. Niniejsza publikacja prezentuje wpĹ‚yw typu podszytu na wartoĹ›ci radiometryczne pikseli reprezentujÄ…cych drzewo na zdjÄ™ciu wielospektralnym. ZaleĹźność tÄ™ obserwowano juĹź w wielu pracach badawczych [15, 18, 10], a w zaproponowanych modelach separacji wpĹ‚ywu podszytu na reflektancjÄ™ koron drzew i poĹ›rednio na oszacowanie zdrowotnoĹ›ci drzewostanĂłw, defoliacji itp. moĹźe być uwzglÄ™dniona we współczesnych badaniach nad nowoczesnymi metodykami [7] pomiaru zdrowotnoĹ›ci poszczegĂłlnych drzew. Celem projektu HESOFF jest wypracowanie metodyki oceny zdrowotnoĹ›ci drzewostanĂłw dÄ™bowych i wpĹ‚ywu nawozĂłw fosforynowych na zdrowotność. W celu oszacowania zdrowotnoĹ›ci dÄ™bĂłw w projekcie wykonano pomiar defoliacji metodami tradycyjnymi (ocena wizualna) i za pomocÄ… zdjęć lotniczych. PoniewaĹź badane kompleksy leĹ›ne charakteryzujÄ… siÄ™ zróşnicowanym typem podszytu [12] naleĹźaĹ‚o podjąć prĂłbÄ™ uniezaleĹźnienia wypracowanej wczeĹ›niej metodyki oszacowania defoliacji na podstawie zdjęć lotniczych [9] od tego parametru Ĺ›rodowiskowego. Wyniki pracy przedstawia niniejsza publikacja.

# 3 W celu wypracowania własnej metody oceny defoliacji na podstawie wielospektralnych zdjęć lotniczych, w lipcu 2015 r. pozyskane zostały zdjęcia leśnej powierzchni badawczej w Nadleśnictwie Krotoszyn, w Leśnictwie Jelonek, w oddziałach: 181, 182 i 183. Powierzchnia badawcza porośnięta jest przez ponad stuletnie dęby. Na podstawie opisu taksacyjnego lasu przeprowadzono analizę składu gatunkowego poszczególnych pięter drzewostanu. Według danych zamieszczonych w dokumencie ustalono, şe w oddziale 181 (rys. 1) gatunkiem dominującym był dąb szypułkowy w wieku 114 lat. W podszycie występowały takie gatunki jak: jarząb pospolity, kruszyna pospolita, leszczyna pospolita oraz grab pospolity, który występował na 90% powierzchni wydzielenia. W oddziale 182 gatunkiem dominującym równieş był dąb szypułkowy w wieku około 124 lat. W podszycie gatunkiem dominującym był grab pospolity zajmujący około 90% powierzchni całego wydzielenia oraz domieszkowo takie gatunki jak: jarząb pospolity i kruszyna pospolita. Na rysunku 1 zaprezentowano podział powierzchni badawczej projektu HESOFF na oddziały i pododdziały. Punktami oznaczono drzewa poddane monitoringowi. W ostatnim z oddziałów, w którym prowadzono badania (oddział 183d), gatunkiem dominującym był dąb szypułkowy w wieku 118 lat. Podszyt drzewostanu zdominowany był przez jarząb pospolity, który w tym pododdziale zajmował blisko 90% powierzchni, w oddziale występowała równieş miejscami kru-

Rys. 1. Powierzchnia badawcza projektu HESOFF w nadleśnictwie Krotoszyn Fig. 1. HESOFF Project research area in Krotoszyn forest district

szyna pospolita. Do zobrazowania powierzchni badawczej uĹźyta zostaĹ‚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‚apie 800 m z pikselem terenowym 25 cm. Z pozyskanych wielowarstwowych zdjęć wytworzono ortofotomapÄ™ cyfrowÄ… [8]. Na powierzchni badawczej wyznaczono sześćdziesiÄ…t dÄ™bĂłw, ktĂłre przed realizacjÄ… nalotu poddano wizualnej, tradycyjnej ocenie defoliacji. KaĹźdy z tych dÄ™bĂłw oznaczono na ortofotomapie, a nastÄ™pnie przyporzÄ…dkowano mu wartoĹ›ci odpowiadajÄ…ce Ĺ›redniej reflektancji i odchylenia standardowego reflektancji w kaĹźdym kanale optycznym. Dla kaĹźdego z dÄ™bĂłw wartoĹ›ci reflektancji i jej odchylenia porĂłwnano z wartoĹ›ciÄ… wizualnej oceny defoliacji. Obliczono takĹźe wskaĹşniki biomasy NDVI oraz zacienienia Green Index. W kolejnym etapie analizy danych powtĂłrzono tÄ™ procedurÄ™ osobno dla dÄ™bĂłw znajdujÄ…cych siÄ™ w oddziaĹ‚ach o róşnym typie podszytu: (a) z podszytem o 90% udziale grabu (Carpinus sp.) obraz (b) z podszytem o 90%

Tabela 1. Korelacja wartości defoliacji z reflektancją oraz jej odchyleniem standardowym Table 1. Defoliation with reflectance intensity and standard deviation correlation values

Kanał optyczny [Οm]

6

Korelacja dla caĹ‚ej powierzchni badawczej poziomu defoliacji zmierzonej in situ z

Korelacja dla oddziaĹ‚Ăłw o podszycie z 90% udziaĹ‚em grabu poziomu defoliacji zmierzonej in situ z

Korelacja dla oddziaĹ‚Ăłw o podszycie z 90% udziaĹ‚em jarzÄ™bu poziomu defoliacji zmierzonej in situ z

reflektancjÄ…

odchyleniem reflektancji

reflektancjÄ…

odchyleniem reflektancji

reflektancjÄ…

odchylenie reflektancji

0,46

0,2403

–0,1313

0,4854

0,1963

0,1804

–0,8088

0,52

0,3247

–0,2573

0,5834

–0,980

0,1686

–0,5700

0,67

0,3405

–0,1369

0,5908

0,1035

–0,4188

–0,6637

0,73

0,1245

–0,3495

0,4897

–0,2591

–0,4108

–0,6827

0,82

0,1307

–0,2972

0,5811

–0,2067

–0,3803

–0,6445

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

udziale jarzębu (Sorbus sp.). Uwzględniając parametr związany z typem podszytu stworzono prosty wskaźnik teledetekcyjny defoliacji.

U Poziom korelacji Pearsona między zmierzonym metodą tradycyjną stopniem defoliacji a średnią reflektancją (ze zdjęć wykonanych kamerą QUERCUS.6) i jej odchyleniem standardowym przedstawiono w tabeli 1. Dla całej powierzchni badawczej oraz dla kaşdego z dwóch typów działów obliczono wskaźniki biomasy NDVI

(1)

oraz wskaĹşnik zacienienia Green Index

(2)

Wyniki korelacji Pearsona tych wskaźników z defoliacją przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Korelacja Pearsona wartości wskaźników teledetekcyjnych NDVI i Green Index ze wskaźnikiem 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 [–]

–0,2178

–0,2034

–0,2336

GI [–]

0,1081

–0,626

0,5331

Ĺ›cie najwiÄ™ksze z caĹ‚ego przedziaĹ‚u Ĺ›wiatĹ‚a widzialnego i NIR. Przypuszczamy, Ĺźe wraz z rosnÄ…cym zróşnicowaniem sygnatur koron badanych drzew oraz podszytu korelacja miÄ™dzy odchyleniem standardowym a defoliacjÄ… powinna być wyĹźsza, jednak zagadnienie to powinno stać siÄ™ przedmiotem dalszych badaĹ„. Dla oddziaĹ‚u charakteryzujÄ…cego siÄ™ duĹźym udziaĹ‚em jarzÄ™ba w podszycie obserwujemy ujemnÄ… korelacjÄ™ reflektancji i defoliacji. Jest to szczegĂłlnie widoczne w podczerwieni i czerwonym kanale optycznym (od –0,3803 do –0,4188). W naszej ocenie jest to spowodowane duşą róşnicÄ… w wysokoĹ›ci dÄ™bĂłw i jarzÄ™bĂłw (okoĹ‚o 27 m). Dla kanaĹ‚Ăłw optycznych charakterystycznych dla rozpraszania Rayleigha w atmosferze ziemskiej reflektancja w cieniu jest skorelowana nieznacznie dodatnio. NaleĹźy zwrĂłcić uwagÄ™ na to, Ĺźe zgodnie z modelem teoretycznym [14] rozpraszanie to jest proporcjonalne do czwartej potÄ™gi odwrotnoĹ›ci dĹ‚ugoĹ›ci fali Ĺ›wiatĹ‚a, zatem dla kanaĹ‚u niebieskiego 0,46 Îźm bÄ™dzie ono wystÄ™powaĹ‚o z ponad dziesiÄ™ciokrotnie, a dla zielonego 0,52 Îźm – z ponad szeĹ›ciokrotnie wiÄ™kszym natęşeniem niĹź dla kanaĹ‚Ăłw czerwonego i podczerwonych, co rzeczywiĹ›cie obserwujemy podczas analizy danych.

5. Podsumowanie Zebrane dane teledetekcyjne i pomiary defoliacji dębów w terenie pozwalają na wypracowanie wstępnej metodyki szacowania defoliacji na podstawie zdjęć lotniczych. Metoda ta musi jednak uwzględniać typ podszytu, a szczególnie jego wysokość w odniesieniu do wysokości drzew górnego piętra, których defoliację chcemy oszacować. Dla typu podszytu wysokiego decydująca będzie zatem sygnatura spektralna reflektancji gatunku dominującego w podszycie (tutaj grabu). Stosując tę obserwację do naszej powierzchni badawczej moşemy dla kaşdego z dębów obliczyć następujący wskaźnik skorelowany z poziomem defoliacji:

(3)

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

Dla typu podszytu niskiego wskaźnik skorelowany z poziomem defoliacji opierać się będzie na wzroście reflektancji w paśmie niebieskim (0,46–0,52 Οm) oraz spadku reflektancji w paśmie czerwonym i bliskiej podczerwieni (0,67–0,82 Οm):

(4)

Korelacje miÄ™dzy tak wyraĹźonymi wskaĹşnikami teledetekcyjnymi defoliacji a pomiarami tradycyjnymi wynoszÄ…: dla podszytu wysokiego 0,6318, dla podszytu niskiego 0,7484. Wartość defoliacji dla kaĹźdego z monitorowanych dÄ™bĂłw [21, 6] na powierzchni badawczej w NadleĹ›nictwie Krotoszyn zostaĹ‚a przedstawiona na rysunku 3: − wartość odpowiadajÄ…ca pomiarom terenowym (zaznaczona przez barwÄ™ okrÄ™gu wewnÄ™trznego), − wartość otrzymana za pomocÄ… wypracowanej metodyki teledetekcyjnej (zaznaczona przez barwÄ™ okrÄ™gu zewnÄ™trznego). Wartość wskaĹşnika defoliacji zmierzona teledetekcyjnie na północ od widocznej w Ĺ›rodkowej części zdjÄ™cia szkółki leĹ›nej wynika z zastosowania wzoru (3) dla terenu o wysokim podszycie. Wartość defoliacji dla poĹ‚udniowej części uzyskano dziÄ™ki zastosowaniu wzoru (4) dla terenu o niskim podszycie. KorelacjÄ™ obu wartoĹ›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 wartość defoliacji zmierzoną metodami tradycyjnymi, na podstawie wizji terenowej. W naszej ocenie wyniki przeprowadzonych prac są bardzo obiecujące i mogą być wykorzystywane w projektach oceniających zdrowotność drzewostanów, m.in. w których zidentyfikowano obecność patogenów z rodzaju Phytophthora [22, 17]. Do dalszego rozwoju przedstawionej tu metody proponujemy stworzyć model wysokościowy badanego kompleksu leśnego oraz jego model fizjologiczny w kontekście modelowania reflektancji w poszczególnych kanałach optycznych. Uzyskane wyniki planujemy wykorzystać jako kolejny parametr do zdalnego badania zdrowotności drzew. Otwarte pozostaje pytanie, na ile wypracowana metodyka moşe zostać zastosowana w analizach teledetekcyjnych drzewostanów na podstawie zobrazowań innych niş 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, 291–295. 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. “Remote Sensing of Environmentâ€?, Vol. 114, Iss. 3, 2010, 637–646, 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, “FEMS Microbiology Lettersâ€?, 261(2), 2006, 165–174, 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…Ĺźek J., PoĹ›pieszczyk A., Tkaczyk M., WodziĹ„ski K., Zalewska N., Budowa i zastosowanie platformy wielosensorowej w badaniu wybranych parametrĂłw Ĺ›rodowiska. Prace Instytutu Lotnictwa, Nr 1 (234) March 2014 (2014): 126–142. 6. DÄ…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, “Folia Forestalia Polonicaâ€?, Vol. 59, Iss. 3, 2017, 239–245, DOI: 10.1515/ffp-2017-0025. 7. Fotowicz P., Modyfikacja sposobu obliczania niepewnoĹ›ci pomiaru, „Pomiary Automatyka Robotykaâ€?, R. 20, Nr 3, 2016, 29–32, DOI: 10.14313/PAR_221/29. 8. Kacprzak M., Rotchimmel K., Tworzenie produktĂłw fotogrametrycznych z wykorzystaniem zdjęć wykonanych blokiem kamer niemetrycznych, „Prace Instytutu Lotnictwaâ€?, T. 243, Nr 2, 2016, 120–129, 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 – 0,73 Âľm. „Technika rolnicza, ogrodnicza, leĹ›naâ€?, 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… teledetekcyjnÄ… (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

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

spectral reflectance. “SYLWANâ€?, Vol. 160, Nr 12, 2016, 1036–1045. 11. Kotlarz J., Kacprzak M., Algorytm automatycznego oszacowania zróşnicowania gatunkowego drzewostanu z wykorzystaniem zdjęć RGB koron drzew. „Pomiary Automatyka Robotykaâ€?, R. 21, Nr 1, 2017, 63–70, DOI: 10.14313/PAR_223/63. 12. Kotlarz J., NasiĹ‚owska S., Rotchimmel K., Kubiak K., Species Diversity of Oak Stands and Its Significance for Drought Resistance. “Preprintsâ€?, 2018, 2018010247, DOI: 10.20944/preprints201801.0247.v1. 13. Kubiak K., ŝóĹ‚ciak A., Damszel M., Lech P., Sierota Z., Armillaria Pathogenesis under Climate Changes. “Forestsâ€?, Vol. 8, No. 4, 2017, DOI: 10.3390/f8040100. 14. Meyer-Arendt J.R., WstÄ™p do optyki, PaĹ„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. “Journal of Geophysical Research: Atmospheresâ€?, Vol. 102, Iss. D24, 29475–29482, 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. “Remote Sensing of Environmentâ€?, Vol. 181, 2016, 42–53, DOI: 10.1016/j.rse.2016.03.040. 17. Oszako T., Olchowik J., Szaniawski A., Drozdowski S., Aleksandrowicz-TrzciĹ„ska M., Emerging forest disease in Europe and North America. “Folia Forestalia Polonicaâ€?, Vol. 59, Iss. 2, 2017, 159–162, DOI: 10.1515/ffp-2017-0016. 18. Rautiainen M., MĂľttus M., Heiskanen J., Akujärvi A., Majasalmi T., Stenberg P., Seasonal reflectance dynamics

of common understory types in a northern European boreal forest, “Remote Sensing of Environmentâ€?, Vol. 115, Iss. 12, 2011, 3020–3028, 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. “Remote Sensing of Environmentâ€?, Vol. 113, Iss. 11, 2009, 2317–2327, DOI: 10.1016/j.rse.2009.06.010. 21. Tkaczyk, M., Kubiak, K. A., Sawicki, J., Nowakowska, J. A., & Oszako, T. (2016). Wykorzystanie zwiÄ…zkĂłw fosforynowych w leĹ›nictwie. LeĹ›ne Prace Badawcze, 77(1). 22. Tkaczyk M., Nowakowska J.A., Oszako T., Phytophthora species isolated from ash stands in BiaĹ‚owieĹźa Forest nature reserve. “Forest Pathologyâ€?, Vol. 46, Iss. 6, 2016, 660–662, DOI: 10.1111/efp.12295. 23. Wawrzoniak J., Pluciak M., MaĹ‚achowska J. Statystyczna ocena zgodnoĹ›ci szacunkĂłw defoliacji drzew prĂłbnych na staĹ‚ych powierzchniach obserwacyjnych monitoringu lasu. „Prace Instytutu Badawczego LeĹ›nictwaâ€?, Ser. A, Vol. 867, 1999, 19–38. 24. Wang Quanzeng, et al., Condensed Monte Carlo modeling of reflectance from biological tissue with a single illumination–detection fiber, “IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronicsâ€?, Vol. 16, Iss. 3, 2010, 627–634, 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: 0.46–0.82 Οm). 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: 0.46–0.52 Οm and 0.67–0.82 Οm. 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

•

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 QQ>QP b\H& QG+QMgQg?%@ ‹KKP?QQ

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

Streszczenie: W pracy przedstawiono eksperymentalne wyniki dziaĹ‚ania dwuosiowego solarnego ukĹ‚adu nadÄ…Ĺźnego w okresie od marca 2015 r. do wrzeĹ›nia 2017 r. Analizowana instalacja, o Ĺ‚Ä…cznej mocy 3 kWp, jest zlokalizowana na kampusie Politechniki BiaĹ‚ostockiej (BiaĹ‚ystok, Polska północnowschodnia). AnalizÄ™ wydajnoĹ›ci nadÄ…Ĺźnej instalacji fotowoltaicznej przeprowadzono w stosunku do instalacji o staĹ‚ym kÄ…cie pochylenia. OmĂłwiono wpĹ‚yw dokĹ‚adnoĹ›ci sterowania ukĹ‚adem Ĺ›ledzenia na konwersjÄ™ energii sĹ‚onecznej w warunkach miejskich na przykĹ‚adzie miasta BiaĹ‚egostoku. Uzyskane wyniki wskazujÄ…, Ĺźe zastosowanie dwuosiowego ukĹ‚adu nadÄ…Ĺźnego zwiÄ™kszyĹ‚o rocznÄ… produkcjÄ™ energii o okoĹ‚o 40% w porĂłwnaniu do panelu ustawionego pod kÄ…tem 38° w kierunku poĹ‚udniowym. Zaproponowano metodÄ™ poprawy dokĹ‚adnoĹ›ci algorytmu sterowania dwuosiowym ukĹ‚adem nadÄ…Ĺźnym. ) 0 ! ! ! # ; * ! %f

1. Wprowadzenie W ostatnich latach ze względu na wzrost cen paliw kopalnych i konieczność redukcji emisji gazów cieplarnianych energia odnawialna, pochodząca ze Słońca, wiatru, wody, biogazu jest postrzegana jako realna alternatywa dla tradycyjnej energii [1, 2, 9]. Według corocznych raportów Instytutu Energetyki Odnawialnej rynek instalacji fotowoltaicznych ciągle rośnie, mimo niejasnej sytuacji prawnej tego sektora. Podobnie rozwija się rynek prosumenckich mikroinstalacji fotowoltaicznych, które na koniec 2015 r. stanowiły juş 31,5 MW, czyli 26% całkowitej mocy zainstalowanej. Efektywność konwersji fotowoltaicznej zaleşy z jednej strony od parametrów samego odbiornika, z drugiej strony od dostępności promieniowania słonecznego na jego powierzchni, co jest uzaleşnione od warunków środowiskowych oraz przyjętej metody orientacji odbiornika w przestrzeni [9, 14]. W ostatnich latach analizie opłacalności stosowania układów nadąşnych jedno- lub dwuosiowych oraz dokładności metod sterowania poświęconych jest wiele opracowań i artykułów [1–3, 6, 7, 10, 12]. Ciągle jednak brakuje kompleksowych danych i analiz moşliwości wytwórczych systemu fotowoltaicznego w wybranych konfiguracjach pracy, w odniesieniu do warunków miejskich, gdzie ukształtowanie i rodzaj terenu oraz wielkość zabudowy, mogą wpłynąć na sumy roczne promieniowania słonecznego.

$ ' 0 / < % ) E% % $ ,4%*&%,&*- % ,6%&,%,&*. % ! "" # $%&

Na Politechnice Białostockiej w latach 2012–2015 realizowano dwa komplementarne projekty: Poprawa efektywności energetycznej infrastruktury Politechniki Białostockiej z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii oraz Badanie skuteczności aktywnych i pasywnych metod poprawy efektywności energetycznej infrastruktury z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii, które były finansowane w ramach RPO WP 2007–2013. Jednym z działań, realizowanym przez zespół badawczy pracowników Wydziału Elektrycznego, było opracowanie pogłębionych analiz techniczno-ekonomicznych i raportów z przeprowadzonych w dwuletnim horyzoncie czasowym badań nad efektywnością energetyczną budynku referencyjnego oraz badań hybrydowego systemu odnawialnej energetyki wiatrowej i fotowoltaicznej w terenie zurbanizowanym w regionie północno-wschodniej Polski [11]. Wykorzystując zgromadzone dane z 32 miesięcy eksploatacji elektrowni hybrydowej, w pracy zostanie przedstawiona analiza wydajności systemu fotowoltaicznego z modułami zainstalowanymi na dwuosiowym układzie nadąşnym w odniesieniu do systemu z modułami ustawionymi na stałe. W drugiej części artykułu zostanie zweryfikowana jakość i dokładność sterowania układem nadąşnym (trackerem solarnym) w układzie otwartym, w tym przedstawiona metoda poprawy dokładności algorytmu sterowania.

# > & system pomiarowy WSAd Analizowana w pracy instalacja fotowoltaiczna wchodzi w skład hybrydowego systemu wytwórczego energii elektrycznej, w który został wyposaşony budynek Centrum Badawczo-Dydaktycznego Wydziału Elektrycznego. Šączna moc zainstalowana odnawialnych źródeł energii wynosi 19 kWp, gdzie elektrownia fotowol-

11

@ ! ] ! ; ; ! ! # ;

taiczna ma moc 9 kWp, zaĹ› elektrownia wiatrowa 10 kWp. Inwestycja zostaĹ‚a oddana do uĹźytku w grudniu 2014 r., zaĹ› w okresie styczeĹ„ – maj 2015 r. uruchomiono system pomiarowy WSAd (typu SCADA). Instalacja jest przyĹ‚Ä…czona do sieci elektroenergetycznej PGE Dystrybucja S.A, przy czym zawarta umowa nie przewiduje wprowadzania energii do sieci energetyki zawodowej. ElektrowniÄ™ fotowoltaicznÄ… tworzÄ… cztery konfiguracje paneli z moduĹ‚ami polikrystalicznymi ESP 250 6P: panel fotowoltaiczny (PV1) zainstalowany nieruchomo na dachu budynku pod kÄ…tem 38° w kierunku poĹ‚udniowym, skĹ‚adajÄ…cy siÄ™ z 12 moduĹ‚Ăłw o Ĺ‚Ä…cznej mocy 3 kWp. Panel jest poĹ‚Ä…czony przez rozdzielnicÄ™, wyposaĹźonÄ… w ukĹ‚ad zabezpieczeĹ„ zĹ‚oĹźonych z dwu rozĹ‚Ä…cznikĂłw P-SOL 20 A i ochronnika przepięć, z inwerterem SMA typ SUNNY BOY 3000 HF. Sekcja do pracy optymalnej caĹ‚orocznie umoĹźliwia regulacjÄ™ kÄ…ta pochylenia, aby optymalizować zyski energetyczne w krĂłtszych okresach czasu; panel fotowoltaiczny (PV4) zainstalowany na dachu budynku na ukĹ‚adzie nadÄ…Ĺźnym (trackerze), skĹ‚adajÄ…cy siÄ™ z 12 moduĹ‚Ăłw o Ĺ‚Ä…cznej mocy 3 kWp, zabezpieczenie i inwerter jak wyĹźej. Dwuosiowy ukĹ‚ad nadÄ…Ĺźny Ĺ›ledzi ruch sĹ‚oĹ„ca w zakresie: kÄ…t obrotu wschĂłd–zachĂłd (azymut) wynosi 270°, w kierunku północ–poĹ‚udnie (wysokość) – wynosi 80°; panel fotowoltaiczny (PV2) zainstalowany nieruchomo na poĹ‚udniowo-wschodniej Ĺ›cianie budynku (azymut 160°), skĹ‚adajÄ…cy siÄ™ z 6 moduĹ‚Ăłw o mocy 1,5 kWp; panel fotowoltaiczny (PV3) zainstalowany nieruchomo na poĹ‚udniowo-zachodniej fasadzie budynku (azymut 250°), skĹ‚adajÄ…cy siÄ™ z 6 moduĹ‚Ăłw o mocy 1,5 kWp. W skĹ‚ad elektrowni wiatrowej wchodzÄ…: turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu (EW1) typu H-Darrieus zainstalowana na maszcie stalowym na wysokoĹ›ci 15,61 m, trĂłjĹ‚opatowa (Ĺ›rednica 3,5 m, wysokość Ĺ‚opat 3 m), o mocy znamionowej 5 kW. Generator jest poĹ‚Ä…czony przez rozdzielnicÄ™ wyposaĹźonÄ… w ukĹ‚ad zabezpieczeĹ„ skĹ‚adajÄ…cy siÄ™ z dwu rozĹ‚Ä…cznikĂłw FR303 32 A i ochronnika przepięć, z trĂłjfazowym inwerterem sieciowym TWERD typ PZGS/5,5 kW; turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu (EW2), zainstalowana na maszcie stalowym na wysokoĹ›ci 15,27 m trĂłjĹ‚opatowa (Ĺ›rednica 4,8 m), o mocy znamionowej 5 kW, zabezpieczenie i inwerter jak wyĹźej. Dodatkowo ukĹ‚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… na serwerze bazodanowym, zaĹ› bieşąca praca elektrowni hybrydowej jest prezentowana na ekranach synoptycznych i na stronie internetowej www.elektrowania.pb.edu.pl. WielokanaĹ‚owy system akwizycji danych (WSAd) skĹ‚ada siÄ™ z oĹ›miu wÄ™zĹ‚Ăłw kontrolno-pomiarowych wykonanych na platformie sprzÄ™towej National Instruments: sterowniki cRio9024 z moduĹ‚ami rozproszonymi (NI-9203, NI-9219, NI-9213, NI-9234). Elementem gĹ‚Ăłwnym systemu pomiarowego jest komputer PXIe-8108 ze Ĺ›rodowiskiem deweloperskim LabVIEW oraz bazÄ… danych SQL. Komunikacja miÄ™dzy lokalnymi koncentratorami danych cRio, komputerem PXI, bazÄ… danych i stacjami roboczymi odbywa siÄ™ przez sieć Ethernet. Lokalne koncentratory danych zbierajÄ… informacje z podĹ‚Ä…czonych urzÄ…dzeĹ„ pomiarowych, a nastÄ™pnie udostÄ™pniajÄ… dane do systemu RT PXI (rys. 1). Lokalnie zastosowano interfejs komunikacyjny RS-485 (NI9871) oraz Ethernet, w tym standard protokoĹ‚u Modbus [4, 13]. Wykonane przez firmÄ™ SARW, wedĹ‚ug powyĹźszych zaĹ‚oĹźeĹ„, narzÄ™dzie inĹźynierskie WSAd (okno aplikacji klienckiej jest pokazane na rysunku 1) gromadzi i przetwarza nastÄ™pujÄ…ce dane: − EW1 – prÄ…dy i napiÄ™cia na wyjĹ›ciu generatora, pomiar haĹ‚asu, wibracji i prÄ™dkoĹ›ci wiatru 3D, − EW2 – prÄ…dy i napiÄ™cia na wyjĹ›ciu generatora, pomiar haĹ‚asu i wibracji, − PV1 – pomiar temperatury moduĹ‚Ăłw PV i nasĹ‚onecznienia,

Rys. 2. Narzędzie inşynierskie WSAd – aplikacja kliencka – okno pomiarów temperatury paneli fotowoltaicznych i parametrów pracy trackera Fig. 2. WSAd engineering tool – client application – 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

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

− PV2a i PV2b – pomiar temperatury moduĹ‚Ăłw PV i nasĹ‚onecznienia, − PV3 â€“ pomiar temperatury moduĹ‚Ăłw PV, poĹ‚oĹźenia osi trackera i nasĹ‚onecznienia, moduĹ‚ stacji aktynometrycznej oraz stacja meteorologiczna. W aplikacji klienckiej rozróşnia siÄ™ cztery podstawowe poziomy dostÄ™pu: − Brak zalogowania – dostÄ™p do bieşącego podglÄ…du danych, − InĹźynier – podglÄ…d danych, przebiegi szybkie (oscyloskop), wykresy i tworzenie raportĂłw, − Administrator – ma uprawnienia InĹźyniera oraz ma moĹźliwość konfigurowania ustawieĹ„ lokalnych programu (np. czas prĂłbkowania danych do archiwizacji), − Serwis – uĹźytkownik specjalny, ma peĹ‚ne uprawnienia do zarzÄ…dzania programem.

Rys. 3. Produkcja energii z panelu nadąşnego i panelu optymalnego w okresie od marca 2015 r. do września 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™ zmiennoĹ›ciÄ… natęşenia promieniowania sĹ‚onecznego 975–1033 kWh/m2 w roku, przy czym Ĺ›rednio w roku SĹ‚oĹ„ce operuje przez 1576 godzin. Przeprowadzony, na podstawie pomiarĂłw promieniowania sĹ‚onecznego stacji aktynometrycznej zainstalowanej w pobliĹźu systemĂłw fotowoltaicznych, bilans promieniowania sĹ‚onecznego wykazaĹ‚ znaczÄ…cy udziaĹ‚ promieniowania rozproszonego (siÄ™gajÄ…cy 50%) w promieniowaniu caĹ‚kowitym [11, 14]. Na rysunku 3 przedstawiono miesiÄ™czne uzyski energii elektrycznej w okresie od marca 2015 r. do wrzeĹ›nia 2017 r. dla dwĂłch paneli fotowoltaicznych: nadÄ…Ĺźnego oraz optymalnie ustawionego do pracy caĹ‚orocznej pod kÄ…tem 38Âş w kierunku poĹ‚udniowym. Na rysunku 4 przedstawiono w ujÄ™ciu procentowym porĂłwnanie produkcji panelu na trackerze w stosunku do panelu optymalnego. W analizowanym okresie panel nadÄ…Ĺźny produkowaĹ‚ od 15% do 86% wiÄ™cej energii miesiÄ™cznie niĹź ukĹ‚ad optymalny. W pierwszych trzech miesiÄ…cach, tj. w okresie rozruchowym instalacji, róşnica byĹ‚a znacznie niĹźsza (okoĹ‚o 7–9%), co wynikaĹ‚o z dość czÄ™stych wyĹ‚Ä…czeĹ„ systemu sterowania dwuosiowego ukĹ‚adu nadÄ…Ĺźnego. NaleĹźy zauwaĹźyć, Ĺźe w ujÄ™ciu procentowym najwiÄ™kszÄ… róşnicÄ™ uzyskano w miesiÄ…cu zimowym, tj. styczniu 2017 r. i byĹ‚o to 86% przy produkcji panelu optymalnego na poziomie 34,67 kWh. NajwiÄ™kszÄ… produkcjÄ™ zanotowano w czerwcu 2016 r. – 709,78 kWh, co stanowiĹ‚o ponad 169% produkcji panelu staĹ‚ego. Na rysunku 5 przedstawiono wartoĹ›ci skumulowanej produkcji energii w analizowanym okresie oddzielnie dla kaĹźdego z paneli oraz w ujÄ™ciu procentowym, gdzie pozycja 1 obejmuje caĹ‚y analizowany okres, pozycja 2 obejmuje 28 ostatnich miesiÄ™cy od czerwca 2017 r. do wrzeĹ›nia 2017 r, pozycja 3 obejmuje okres 12 ostatnich miesiÄ™cy od paĹşdziernika 2016 r. do wrzeĹ›nia 2017 r., pozycja 4 – 12 miesiÄ™cy (od paĹşdziernika 2015 r. do

Rys. 4. Średniomiesięczna wydajność panelu nadąşnego w stosunku do panelu optymalnego Fig. 4. Monthly average performance of dual axis panels over fixed panels

Rys. 5. Porównanie całkowitej i rocznej wydajność nadąşnej instalacji fotowoltaicznej w stosunku do instalacji o stałym kącie 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‚Ä…czÄ…ce oba rozwiÄ…zania [2, 12]. Dla przedstawionego na rys. 6. pogodnego dnia przeprowadzono badania zmiany caĹ‚kowitego natęşenia promieniowania na pĹ‚aszczyĹşnie panelu nadÄ…Ĺźnego przy Âą10° odchylenia w dwĂłch osiach ukĹ‚adu nadÄ…Ĺźnego wzglÄ™dem nominalnej trajektorii SĹ‚oĹ„ca. Badania wykonano przy nastÄ™pujÄ…cych warunkach: natęşenie promieniowania bezpoĹ›redniego: 890 W/m2 Âą5 W/m2, natęşenie promieniowania rozproszonego w pĹ‚aszczyĹşnie poziomej: 56 W/m2, poĹ‚oĹźenie SĹ‚oĹ„ca: azymut od 160° do 200°, wysokość od 45,6° do 47,0°. Zmierzona wartość nominalnego promieniowania w pĹ‚aszczyĹşnie panelu nadÄ…Ĺźnego ustawionego optymalnie do SĹ‚oĹ„ca, tj. zerowe odchyĹ‚ki wzglÄ™dem azymutu i wysokoĹ›ci, wynosiĹ‚a okoĹ‚o 967,7 W/m2. Procentowa zmiana caĹ‚kowitego natęşenia promieniowania w pĹ‚aszczyĹşnie panelu nadÄ…Ĺźnego przy Âą10° odchyleniu pozycji trackera wzglÄ™dem trajektorii SĹ‚oĹ„ca wahaĹ‚a siÄ™ w granicach 99,2–95,9% wartoĹ›ci nominalnej. Z otrzymanych pomiarĂłw wynika, Ĺźe w badanej lokalizacji dopuszczalny jest niewielki bĹ‚Ä…d Ĺ›ledzenia poĹ‚oĹźenia SĹ‚oĹ„ca przez tracker, poniewaĹź odchylenia rzÄ™du Âą2% od ustawienia optymalnego tylko nieznacznie (spadek o 1% caĹ‚kowitej irradiancji) wpĹ‚ywajÄ… na sprawność konwersji energii Ĺ›wietlnej na elektrycznÄ…. Z powyĹźszego wynika, Ĺźe sterowanie w ukĹ‚adzie otwartym jest ekonomicznie uzasadnionym wyborem. Dla BiaĹ‚egostoku miejsca wschodu i zachodu SĹ‚oĹ„ca w porze przesileĹ„ (rys. 7) zmieniajÄ… siÄ™ od 47Âş do 130Âş oraz 230Âş do 312Âş, odpowiednio. Natomiast wysokość SĹ‚oĹ„ca zmienia siÄ™ od 13Âş do 60Âş. Oznacza to, Ĺźe dla lokalizacji w północno-wschodniej Polsce jedynie trackery dwuosiowe, ktĂłrych kÄ…t obrotu w azymucie (wschĂłd–zachĂłd) wynosi co najmniej 260° (Âą130Âş), natomiast zmiana kÄ…ta wysokoĹ›ci (północ–poĹ‚udnie) – minimum 60°, zapewniajÄ… maksymalny uzysk energii elektrycznej w kaĹźdym okresie roku. Optymalna konstrukcja ukĹ‚adu nadÄ…Ĺźnego powinna skĹ‚adać siÄ™ z siĹ‚ownika liniowego do sterowania osiÄ… pionowÄ… trackera w zakresie od 0° do 90°, aby zapewnić Ĺ›ledzenie wysokoĹ›ci SĹ‚oĹ„ca oraz napÄ™du obrotowego (obrotnicy) w zakresie • 260°, aby zapewnić Ĺ›ledzenie azymutu SĹ‚oĹ„ca. Ĺšrednia prÄ™dkość SĹ‚oĹ„ca w azymucie wynosi okoĹ‚o 0,25 stopnia na minutÄ™ (tj. 0,000694 rpm), co pozwala zastosować ukĹ‚ady napÄ™dowe o maĹ‚ej mocy w poĹ‚Ä…czeniu z przekĹ‚adniami o duĹźym przeĹ‚oĹźeniu, ktĂłre gwarantujÄ… wysokÄ… precyzjÄ™ pozycjonowania. NaleĹźy zauwaĹźyć, Ĺźe zastosowanie siĹ‚ownika liniowego do sterowania osiÄ… azymutu

wrzeĹ›nia 2016 r.). Panel nadÄ…Ĺźny wyprodukowaĹ‚ w badanym okresie o 38% (42,87% w okresie 28 miesiÄ™cy bezawaryjnej pracy ukĹ‚adu nadÄ…Ĺźnego) brutto wiÄ™cej energii niĹź ukĹ‚ad optymalny. Za ostatnie 12 miesiÄ™cy (pozycja 3 na rys. 5) osiÄ…gniÄ™to wzrost o 43,23%. Z dotychczasowych wynikĂłw moĹźna wnioskować, Ĺźe moĹźliwoĹ›ci wytwĂłrcze panelu nadÄ…Ĺźnego charakteryzujÄ… siÄ™ lepszym o co najmniej 42% Ĺ›rednio w roku uzyskiem energii elektrycznej brutto w stosunku do panelu ustawionego optymalnie. W ramach projektu [11] dokonano teĹź analizy opĹ‚acalnoĹ›ci inwestycji w systemy wytwarzania energii elektrycznej bazujÄ…ce na ĹşrĂłdĹ‚ach odnawialnych maĹ‚ej mocy, zainstalowanych w terenie zurbanizowanym w północno-wschodniej Polsce. Opracowane modele analityczne przeznaczone do analizy opĹ‚acalnoĹ›ci inwestycyjnej bazujÄ… na istniejÄ…cych modelach [11]. Dofinansowanie kosztĂłw inwestycji na poziomie 85% ze Ĺ›rodkĂłw europejskich pozwala na uzyskanie zwrotu z inwestycji w mikroinstalacjÄ™ fotowoltaicznÄ… po okoĹ‚o 5,5 roku w przypadku panelu ustawionego optymalnie do SĹ‚oĹ„ca, natomiast dla panelu nadÄ…Ĺźnego w 6 lat. Mimo tego, Ĺźe uzyskiwana Ĺ›rednioroczna produkcja energii z panelu nadÄ…Ĺźnego jest wiÄ™ksza niĹź z panelu optymalnego, to dĹ‚uĹźszy czas zwrotu z inwestycji wynika z wyĹźszych kosztĂłw inwestycyjnych. Przy czym moĹźna wyróşnić koszty staĹ‚e – koszt dwuosiowego ukĹ‚adu nadÄ…Ĺźnego z systemem sterowania w ukĹ‚adzie otwartym oraz koszty zmienne zwiÄ…zane z konstrukcjÄ… wsporczÄ… trackera. Z powyĹźszego wynika, Ĺźe instalacja panelu nadÄ…Ĺźnego jest efektywna ekonomicznie, jeĹźeli Ĺ‚Ä…czne koszty inwestycji nie przekroczÄ… 140% kosztĂłw systemu PV mocowanego na staĹ‚e do dachu lub na ziemi. PozaekonomicznÄ… przesĹ‚ankÄ… do wyboru panelu nadÄ…Ĺźnego w terenie zurbanizowanym moĹźe być brak wystarczajÄ…cej powierzchni pod zabudowÄ™ zwiÄ™kszonej liczby moduĹ‚Ăłw fotowoltaicznych.

$ %

& '( &

W celu poprawy uzysków energii elektrycznej stosuje się montaş modułów fotowoltaicznych na trackerach solarnych, których układ nadąşny śledzi ruch Słońca po nieboskłonie. Maksymalizacja konwersji energii słonecznej na energię elektryczną jest wówczas, gdy płaszczyzna modułów PV jest prostopadła do kąta padania bezpośredniego promieniowania słonecznego o kaşdej porze dnia i roku. W literaturze moşna znaleźć wiele prac na temat algorytmów wyznaczania pozycji Słońca [1, 7, 9], rozwiązań układów nadąşnych jedno- i dwuosiowych sterowanych w układzie otwartym lub zamkniętym [5], przy czym sterowanie oparte jest na zega-

a)

b)

Rys. 6. a) Zmienność w czasie natęşenia promieniowania słonecznego na płaszczyşnie panelu nadąşnego/stałego oraz DNI/GHI w słoneczny dzień, b) Dobowa produkcja energii elektrycznej przez moduły fotowoltaiczne w słoneczny dzień 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

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

a)

b)

Rys. 7. Rzeczywisty kąt azymutu i kąt osi pionowej (dopełnienia kąta wysokości) dwuosiowego układu nadąşnego 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…ta obrotu trackera do Âą80Âş wzglÄ™dem kierunku poĹ‚udniowego. W analizowanym przypadku panel fotowoltaiczny zostaĹ‚ zamontowany na dwuosiowym ukĹ‚adzie nadÄ…Ĺźnym, w ktĂłrym: − kÄ…t obrotu wschĂłd–zachĂłd wynosi 270° (tj. azymut SĹ‚oĹ„ca od 45° do 315°), napÄ™d obrotowy z trĂłjfazowym silnikiem asynchronicznym 90 W/0,4 kV AC i przekĹ‚adniÄ…, prÄ™dkość 0,00815 rpm (20,44 s na 1Âş kÄ…ta azymutu), zabezpieczenie i pozycjonowanie – dwie kraĹ„cĂłwki ze stykami rozwiernymi, − kÄ…t obrotu północ–poĹ‚udnie wynosi 80° (tj. wysokość SĹ‚oĹ„ca 10° do 90°), napÄ™d liniowy z silnikiem prÄ…du staĹ‚ego 90 W/24 V DC z dwoma wbudowanymi kraĹ„cĂłwkami, 3,9 s na 1Âş kÄ…ta wysokoĹ›ci, − sterowanie staĹ‚oczasowe w ukĹ‚adzie otwartym na podstawie wyliczonej pozycji SĹ‚oĹ„ca (algorytm zegarowy) przez sterownik firmy Taian Xinpeng Energy Science and Technology, deklarowana dokĹ‚adność Ĺ›ledzenia 0,5Âş, − dodatkowe wyposaĹźenie: czujnik wiatru, podtrzymanie danych, port RS-485. Ponadto ukĹ‚ad nadÄ…Ĺźny zostaĹ‚ wyposaĹźony w czujniki poĹ‚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…dzenia pomiarowe zostaĹ‚y podĹ‚Ä…czone do systemu pomiarowego WSAd [4, 13]. W okresie rozruchowym stwierdzono, Ĺźe styczniki silnikĂłw wykonawczych w ukĹ‚adzie sterowania nie sÄ… zabezpieczone od przepięć Ĺ‚Ä…czeniowych. Do ograniczenia przepięć zastosowano dwukierunkowe diody Transil: silnik AC – 1.5KE400CA, silnik DC – 1.5KE30CA. W okresie od czerwca 2015 r. do wrzeĹ›nia 2017 r. dwuosiowy solarny ukĹ‚ad nadÄ…Ĺźy pracowaĹ‚ bezawaryjnie. Na rysunku 7 przedstawiono zmierzone przebiegi poĹ‚oĹźenia osi trackera w dniach przesileĹ„, gdzie kÄ…t azymutu trackera podany jest we współrzÄ™dnych astronomicznych, czyli odpowiada azymutowi SĹ‚oĹ„ca. Natomiast kÄ…t osi pionowej jest dopeĹ‚nieniem kÄ…ta wysokoĹ›ci SĹ‚oĹ„ca do 90°. W celu weryfikacji poprawnoĹ›ci wynikĂłw wykorzystano kalkulator poĹ‚oĹźenia sĹ‚oĹ„ca NOAA Solar Calculator (www.esrl.noaa.gov/gmd/grad/solcalc/). Stwierdzono, Ĺźe osiÄ…gana dokĹ‚adność sterowania osiÄ… azymutu trackera (Âą0,5°) jest zgodna z deklaracjÄ… producenta, zaĹ› maksymalny bĹ‚Ä…d pozycjonowania osi pionowej wynosi +6° w stosunku do rzeczywistego kÄ…ta wysokoĹ›ci SĹ‚oĹ„ca. W trybie automatycznym sterownik po zmianie wysokoĹ›ci SĹ‚oĹ„ca o 1° uruchamia siĹ‚ownik liniowy na zadany czas 3,9 s. Ze wzglÄ™du na konstrukcjÄ™ trackera zmiana kÄ…ta nachylenia osi pionowej zaleĹźy nieliniowo od posuwu siĹ‚ownika liniowego, natomiast realizowany algorytm sterowania tego nie uwzglÄ™dnia. Na rysunku 8 przedstawiono ruch osi pionowej ukĹ‚adu nadÄ…Ĺźnego w trybie pracy manualnej dla dwĂłch przypadkĂłw: ruch do doĹ‚u, tj. z pozycji horyzontalnej moduĹ‚Ăłw do pozycji wertykal-

Rys. 8. Porównanie poşądanego (czarna linia) i rzeczywistego kąta 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‚Ăłw do pozycji poziomej. W badanej instalacji moĹźna oszacować rocznÄ… stratÄ™ w produkcji energii na poziomie nie wiÄ™kszym niĹź 50 kWh spowodowanÄ… bĹ‚Ä™dem pozycjonowania osi pionowej. Oznacza to, Ĺźe aby osiÄ…gnąć zadanÄ… dokĹ‚adność Ĺ›ledzenia SĹ‚oĹ„ca (Âą0,5°), wymagane jest skorelowanie algorytmu sterowania czasem zaĹ‚Ä…czenia siĹ‚ownika liniowego z bieşącym kÄ…tem nachylenia osi trackera. ZaleĹźność tÄ™ moĹźna wyznaczyć z twierdzenia cosinusĂłw dla trĂłjkÄ…ta, ktĂłry tworzy ramiÄ™ siĹ‚ownika z pĹ‚aszczyznÄ… moduĹ‚Ăłw fotowoltaicznych oraz punktem mocowania siĹ‚ownika do masztu trackera. Dla badanej konstrukcji sÄ… to wartoĹ›ci staĹ‚e (rys. 9) i wynoszÄ… d2 = 88 cm i d1 = 82 cm, kÄ…t zawarty miÄ™dzy nimi zmienia siÄ™ od Îąk = 52° do 132° (pozycja wertykalna panelu, kÄ…t osi pionowej 80°). Czas wysuwu waĹ‚u siĹ‚ownika wynosi okoĹ‚o 306 s. Czas pracy siĹ‚ownika dla kolejnego kroku moĹźna wyznaczyć z nastÄ™pujÄ…cej zaleĹźnoĹ›ci: tn + 1 =

d12 + d22 − 2d1d2 cos Îąn +1 − sn â‹… tw á Δs ,

gdzie: tn+1 – czas załączenia siłownika liniowego, Δs – przyrost wysuwu wału w jednostce czasu tw, sn – poprzedni wyliczony wysuw wału, ιn+1 = ιk + 90 – ιEl – wartość kąta przeciwległego siłownikowi dla danego kąta wysokości Słońca ιEl. Naleşy zauwaşyć, şe proponowane rozwiązanie nie generuje dodatkowych kosztów. Jedynie na etapie wprowadzania parametrów do sterownika naleşy wpisać wartości konstrukcyjne d1, d2, ιk oraz współrzędne geograficzne lokalizacji trackera oraz wymagane wartości kąta nachylenia osi pionowej trackera w połoşeniach krańcowych. Wartości tw, Δs są stałe dla danego typu

15

@ ! ] ! ; ; ! ! # ;

[ .

n 1

Z prowadzanych od 32 miesiÄ™cy badaĹ„ instalacji fotowoltaicznej wynika, Ĺźe moĹźliwe jest zwiÄ™kszenie o 40% efektywnoĹ›ci konwersji energii Ĺ›wietlnej na energiÄ™ elektrycznÄ… (wartość netto) przez zastosowanie paneli nadÄ…Ĺźnych. BarierÄ… sÄ… jednak w dalszym ciÄ…gu znaczne koszty zakupu i instalacji dwuosiowego ukĹ‚adu nadÄ…Ĺźnego, a takĹźe koszty eksploatacji systemu sterowania oraz jego niezawodność. Z przedstawionej analizy wydajnoĹ›ci dwuosiowego solarnego ukĹ‚adu nadÄ…Ĺźnego wynikajÄ… nastÄ™pujÄ…ce wnioski i zalecenia: − Zastosowanie dwuosiowego ukĹ‚adu nadÄ…Ĺźnego z systemem staĹ‚oczasowego sterowania w ukĹ‚adzie otwartym jest ekonomicznie uzasadnione oraz wystarczajÄ…ce, aby osiÄ…gnąć dokĹ‚adność Ĺ›ledzenia SĹ‚oĹ„ca Âą0,5°, pod warunkiem zastosowania zmiennoczasowego algorytmu sterowania osiÄ… pionowÄ… ukĹ‚adu nadÄ…Ĺźnego, skorelowanego z wysokoĹ›ciÄ… SĹ‚oĹ„ca; − Algorytm sterowania naleĹźy implementować w nadrzÄ™dnym sterowniku PLC, ktĂłry wedĹ‚ug najnowszych koncepcji inteligentnego budynku z instalacjÄ… PME [np. 8, 11] integruje automatykÄ™ budynku, smart grid oraz prosumenckÄ… mikroinstalacjÄ™. Elementy pomiarowe i wykonawcze (m.in. styczniki) pozostajÄ… integralnÄ… częściÄ… dwuosiowego ukĹ‚adu nadÄ…Ĺźnego. DostÄ™pne obecnie na rynku sterowniki PLC majÄ… wbudowane kalkulatory sĹ‚oneczne, np. S7-1200: SPA_Calc_Sun_Vector oraz specjalizowane bloki komunikacyjne KNX, Modbus. Zaproponowane rozwiÄ…zanie ogranicza koszty staĹ‚e instalacji, zwiÄ™ksza niezawodność rozwiÄ…zania oraz powala na zarzÄ…dzanie caĹ‚ym systemem z jednej aplikacji; − W efektywnej pracy ukĹ‚adu nadÄ…Ĺźnego istotnym elementem jest jego poprawna konfiguracja i parametryzacja, w tym precyzyjne ustawienie kraĹ„cĂłwek w azymucie i osi pionowej. RozwiÄ…zaniem docelowym jest opracowanie procedury autostrojenia dla danego typu konstrukcji trackera i domyĹ›lnych ustawieĹ„ poczÄ…tkowych i koĹ„cowych poĹ‚oĹźenia panelu, w tym automatyczne pobieranie współrzÄ™dnych geograficznych poprzez aplikacjÄ™ zarzÄ…dzajÄ…cÄ…. W dalszych pracach badawczych planuje siÄ™ opracowanie i zintegrowanie systemu sterowania na sterowniku PLC typu SIMATIC S7-1214.

d1

k

d2

Rys. 9. Dwuosiowy solarny układ nadąşny Fig. 9. Dual axis solar tracking system

siĹ‚ownika liniowego. Przeprowadzone symulacje w programie MATLAB z uwzglÄ™dnieniem zmierzonego czasu wysuwu waĹ‚u siĹ‚ownika potwierdziĹ‚y poprawność zaleĹźnoĹ›ci (1), tj. uzyskano przebieg (linia zielona) podany na rys. 8 oraz zakĹ‚adanÄ… dokĹ‚adność sterowania osiÄ… pionowÄ… trackera (Âą0,5°). Istotnym elementem w ocenie efektywnoĹ›ci wytwarzania energii (tj. energii netto) przez panel nadÄ…Ĺźny jest koszt sterowania. Metodologia wyliczenia kosztĂłw staĹ‚ych i zmiennych zostaĹ‚a podana w [9]. W pracy skupiono siÄ™ nad oszacowaniem kosztĂłw zmiennych zwiÄ…zanych z elementami wykonawczymi ukĹ‚adu nadÄ…Ĺźnego. Koszty staĹ‚e zwiÄ…zane z zuĹźyciem energii przez sterownik sÄ… pomijalnie maĹ‚e. UwzglÄ™dniajÄ…c maksymalny zakres ruchu osi ukĹ‚adu nadÄ…Ĺźnego w dniach przesileĹ„, pokazane na rys. 7, otrzymamy: czas pracy napÄ™du obrotowego: od 2h 6m 0s do 3h 0m 30s, czas pracy napÄ™du liniowego: od 0h 12m 0s do 0h 17m 0s. Zatem zuĹźycie energii przez silniki wykonawcze moĹźemy oszacować od 0,2k Wh w okresie zimowym do 0,3 kWh w okresie letnim, przy czym naleĹźy pamiÄ™tać, Ĺźe przy sterowaniu staĹ‚oczasowym wystÄ™pujÄ… dodatkowe straty Ĺ‚Ä…czeniowe. Roczne zuĹźycie energii przez ukĹ‚ad nadÄ…Ĺźny wynosi okoĹ‚o 110 kWh, co stanowi okoĹ‚o 2,5–2,8% produkcji 3 kWp panelu fotowoltaicznego zamontowanego na ukĹ‚adzie nadÄ…Ĺźnym. Z dotychczasowych wynikĂłw moĹźna wnioskować, Ĺźe moĹźliwoĹ›ci wytwĂłrcze panelu nadÄ…Ĺźnego charakteryzujÄ… siÄ™ lepszym o co najmniej 40% Ĺ›rednio w roku uzyskiem energii elektrycznej netto w stosunku do panelu ustawionego optymalnie. W analizowanym ukĹ‚adzie nadÄ…Ĺźnym jako pozycjÄ™ spoczynkowÄ… (nocnÄ…) przyjÄ™to skrajne poĹ‚oĹźenie wschodnie – 45° oraz pozycjÄ™ horyzontalnÄ… – 0°. Ze wzglÄ™dĂłw bezpieczeĹ„stwa w przypadku duĹźych prÄ™dkoĹ›ci wiatru (min 18 m/s) ukĹ‚ad nadÄ…Ĺźny przyjmuje poĹ‚oĹźenie bezpieczne, tj. pozycjÄ™ horyzontalnÄ… oraz wstrzymuje pracÄ™ napÄ™du obrotowego. W badanym okresie zarejestrowano zaledwie kilka przypadkĂłw przyjÄ™cia pozycji bezpiecznej. Ponadto w badanej lokalizacji, w okresie od 23 wrzeĹ›nia do 21 marca ruch w osi azymutu ukĹ‚adu nadÄ…Ĺźnego wystarczy rozpoczynać od azymutu 90° zamiast od pozycji 45°. UwzglÄ™dniajÄ…c powyĹźsze rozwaĹźania moĹźliwe sÄ… kolejne modyfikacje algorytmu sterowania: pozycja wertykalna panelu w nocy przy dopuszczalnych warunkach pogodowych, dodatkowa kraĹ„cĂłwka na azymucie 90° jako pozycja poczÄ…tkowa w azymucie na okres jesień–wiosna, ktĂłre pozwolÄ… uzyskać oszczÄ™dnoĹ›ci w zuĹźyciu energii rzÄ™du 30% w okresie jesień–wiosna i 9% w okresie letnim.

QF

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

. 6 Badania zostały zrealizowane w ramach pracy nr S/WE/1/2016 i sfinansowane ze środków na naukę MNiSW.

X & 1. Bhattarai A., Performance and cost analysis of solar photovoltaics tracking systems operating in different weather conditions. Master’s thesis, Lappeenranta University of Technology, 2016. 2. BugaĹ‚a A., Analiza efektywnoĹ›ci konwersji promieniowania sĹ‚onecznego na energiÄ™ elektrycznÄ… w wyniku stosowania ukĹ‚adĂłw nadÄ…Ĺźnych dla warunkĂłw klimatycznych Polski. Rozprawa doktorska, Politechnika PoznaĹ„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. “International Journal of Engineering Science and Innovative Technologyâ€?, Vol. 2, Iss. 2, 2013, 424–430. 4. WielokanaĹ‚owy System Akwizycji Danych – instrukcja obsĹ‚ugi, SARW, 2015. 5. Lee Ch., Chou P., Chiang Ch., Lin Ch., Sun Tracking Systems: A Review. “Sensorsâ€?, Vol. 9, Iss. 5, 2009, 3875–3890, DOI: 10.3390/s90503875. A

T

Y

K

A

•

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. “Procedia Computer Scienceâ€?, Vol. 6, 2011, 457–462, 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. “Current Scienceâ€?, Vol. 108, No. 11, 2015, 2087–2094.

11. Raport pod red. Banaszuk P., Badanie skutecznoĹ›ci aktywnych i pasywnych metod poprawy efektywnoĹ›ci energetycznej infrastruktury z wykorzystaniem odnawialnych ĹşrĂłdeĹ‚ energii. Politechnika BiaĹ‚ostocka, 2015. 12. Renzi M., Santolini M., Comodi G., Performance analysis of a 3.5 kWp CPV system with two-axis tracker. “Energy Procediaâ€?, Vol. 61, 2014, 220–224, 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‚onecznego w systemach solarnych typu „zimny dachâ€?. „PrzeglÄ…d Elektrotechnicznyâ€?, R. 91, Nr 7, 2015, 89–92.

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, 19–24, 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 Researcher’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 [11–16, 21, 28, 30, 32, 36–38]; 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 [1–5, 9, 10, 17, 18, 20–22, 26–31, 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 actuator’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, 23–25, 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 – Ms, gravity force Gs, position – xs, control force FS (theoretically including Slave actuator) that is generated by the actuator, and the environmental impact – 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 – index, index m for Master subsystem, index s for Slave subsystem, s – Laplace operator, Mi – 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 siłowego sprzęşenia 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 – 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

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

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. Szczegółowy 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 – named Fsm and the Master position – 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 controller’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):

⎧Fs = K (s )e (s ) ⎪ Fs , ⎨x = ⎪ s (M ss + he )s ⎊

(4)

where e(s) is a Slave subsystem position error, described as e(s) = xm(s) – 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 ) − = 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 ) − Gs , = (M ss + he )s + K (s ) xm (s )

(7)

K (s )(M ss + he )s Fs (s ) − Gs − 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) – Fsm(s) = Fe(s),

9.

(9)

where the difference Fs(s) – 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 “The use of augmented reality, interactive voice systems and operator interface to control a crane�, 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, 938–943, DOI: 10.1109/ROBOT.1993.292264. Ferrell W.R., Delayed Force Feedback, “Human Factors: The Journal of the Human Factors and Ergonomics Society�, Vol. 8, No. 5, 1966, 449–455, 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

•

A

U

T

O

M

16.

17.

A

T

trol Conference, American Society of Mechanical Engineers, 591–597, 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, 1764–1767, 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, 1863–1869, DOI: 10.1109/ROBOT.1999.770380. Hogan N., Impedance Control: An Approach to Manipulation: Part II – Implementation, “Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Controlâ€?, Vol. 107, No. 1, 1985, 8–16, DOI: 10.1115/1.3140713. Ishikiriyama Y., Morita T., Improvement of self-sensing piezoelectric actuator control using permittivity change detection, “Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturingâ€?, Vol. 4, No. 1, 2010, 143–149, DOI: 10.1299/jamdsm.4.143. Khadraoui S., Rakotondrabe M., Lutz P., Interval Modeling and Robust Control of Piezoelectric Microactuators, “IEEE Transactions on Control Systems Technologyâ€?, Vol. 20, No. 2, 2012, 486–494, 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, 1412–1419 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, “IEEE Transactions on Robotics and Automationâ€?, Vol. 8, No. 2, 1992, 176–185, DOI: 10.1109/70.134272. MiÄ…dlicki K., Pajor M., Overview of user interfaces used in load lifting devices, “International Journal of Scientific & Engineering Researchâ€?, Vol. 6, No. 9, 2015, 1215–1220. MiÄ…dlicki K., Pajor M., Real-time gesture control of a CNC machine tool with the use Microsoft Kinect sensor, “International Journal of Scientific & Engineering Researchâ€?, Vol. 6, No. 9, 2015, 538–543. Miadlicki K., Pajor M., Sakow M., Loader Crane Working Area Monitoring System Based on LIDAR Scanner, “Advances in Manufacturingâ€?, Springer, 2018, 465–474, DOI: 10.1007/978-3-319-68619-6_45. MiÄ…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™dzyzdroje, Poland, 2017, 717–722, DOI: 10.1109/MMAR.2017.8046916. MiÄ…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, 207–212, 10.1109/INISTA.2017.8001158. MiÄ…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, 213–229, DOI: 10.4467/2353737XCT.17.221.7764. Najdovski Z., Nahavandi S., Fukuda T., Design, Development, and Evaluation of a Pinch–Grasp Haptic Interface, Y

K

A

•

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, 45–54, 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, 216–219, 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, 268–277, 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, 47–52. Pajor M., MiÄ…dlicki K., SakĂłw M., Kinect Sensor Implementation in Fanuc Robot Manipulation, “Archives of Mechanical Technology and Automationâ€?, Vol. 34, No. 3, 2014, 35–44. 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, 143–154, 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, 824–834, 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), 557–562, 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, 519–531, DOI: 10.1109/TMECH.2014.2300333. SakĂłw M., Marchelek K., Parus A., MiÄ…dlicki K., Control scheme without force sensors for load sensing in telemanipulation systems with force-feedback, “Journal of Machine Construction and Maintenance. Problemy Eksploatacjiâ€?, No. 3, 2017, 21–30. SakĂłw M., MiÄ…dlicki K., Parus A., Self-sensing teleoperation system based on 1-dof pneumatic manipulator, “Journal of Automation, Mobile Robotics and Intelligent Systemsâ€?, Vol. 11, No. 1, 2017, 64–76. SakĂłw M., Pajor M., Parus A., Estimation of environmental forces impact on remote control system with force-feedback and upper limb kinematics (in Polish), “Modelowanie InĹźynierskieâ€?, Vol. 27, No. 58, 2016, 113–122. 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), “Projektowanie Mechatroniczne – Zagadnienia Wybraneâ€?, Katedra Robotyki i Mechatroniki, Akademia GĂłrniczo-Hutnicza w Krakowie, 2016, 139–150. 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, “Measurement Automation Monitoringâ€?, Vol. 62, No. 12, 2016, 417–425. SakĂłw M., Parus A., MiÄ…dlicki K., Predictive method of force determination in the force-feedback communication channel of remotely controlled system (in Polish), “Modelowanie inĹźynierskieâ€?, Vol. 31, No. 62, 2017, 88–97. Sakow M., Parus A., Pajor M., Miadlicki K., Unilateral Hydraulic Telemanipulation System for Operation in Machining Work Area, Advances in Manufacturing, Springer, 2018, 415–425, DOI: 10.1007/978-3-319-68619-6_40. SakĂłw M., Parus A., Pajor M., MiÄ…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™dzyzdroje, Poland, 2017, 141–146, 10.1109/MMAR.2017.8046813. Seraji H., Colbaugh R., Adaptive force-based impedance control, IROS ‘93. Proceedings of the 1993 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 1993, Vol. 1533, 1537–1544, DOI: 10.1109/IROS.1993.583844. Seul J., Hsia T.C., Bonitz R.G., Force tracking impedance control of robot manipulators under unknown environment, “IEEE Transactions on Control Systems Technologyâ€?, Vol. 12, No. 3, 2004, 474–483, 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, “Problemy Eksploatacjiâ€?, 4/2017, 107, 81–89. 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, 103–110, 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, 83–92, 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, “ISA Transactionsâ€?, Vol. 48, No. 4, 2009, 512–518, 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, 902–906, 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, “IEEE/ ASME Transactions on Mechatronicsâ€?, Vol. 12, No. 2, 2007, 134–142, 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, 605–620, 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, 987–992, 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 – An Exoskeleton Glove Mechanism With Haptics Feedback, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 20, No. 2, 2015, 641–652, DOI: 10.1109/TMECH.2014.2305842.

2006. The Sixth World Congress on Intelligent Control and Automation, 2006, 5209–5213, 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, “IEEE/ASME Transactions on Mechatronics�, Vol. 20, No. 4, 2014, 1875–1885, DOI: 10.1109/TMECH.2014.2357793.

# " I E IS " 7 D *G % W artykule przedstawiono nowe podejście do projektowania sterowania dwustronnych systemów teleoperacji z siłowym sprzęşeniem zwrotnym, dedykowanym tylko do wykrywania obciąşenia w postaci ładunku. Opis problemu, analiza dotychczasowych osiągnięć badawczych oraz zakres badania został zaprezentowany w pracy. Nowy projekt jednostki sterującej dla systemu Master-Slave z siłowym sprzęşeniem zwrotnym oparty został na dynamicznym modelu odwrotnym. Model został uşyty do odejmowania wartości siły w kanale komunikacyjnym sprzęşenia zwrotnego, który moşe generować system podczas ruchu swobodnego. Waşna część pracy została poświęcona analizie matematycznej obejmującego zjawiska zachodzące 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

•

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, 25–30, 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 Researcher’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 [1–5, 7, 8, 12, 15, 16, 18–20, 22–26, 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, 11–14, 17, 19, 21–31, 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 – 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 operator’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 układu napędowego podsystemu Slave

26

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

! 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 układu napędowego podsystemu Master

Fig. 4. Geometrical relationship of manipulator arm Rys. 4. Zaleşności 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 – 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 – 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…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 – 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. “The use of augmented reality, interactive voice systems and operator interface to control a crane�, 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

•

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, 938–943, DOI: 10.1109/ROBOT.1993.292264. 2. Ferrell W.R., Delayed Force Feedback, “Human Factors: The Journal of the Human Factors and Ergonomics Society�, Vol. 8, No. 5, 1966, 449–455, 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, 591–597, 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

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

! International Conference on Robotics and Automation, Vol. 1763, 1764–1767, 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, 1863–1869, DOI: 10.1109/ROBOT.1999.770380. 6. Hogan N., Impedance Control: An Approach to Manipulation: Part II – Implementation, “Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Controlâ€?, Vol. 107, No. 1, 1985, 8–16, 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, 1412–1419, 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, “IEEE Transactions on Robotics and Automationâ€?, Vol. 8, No. 2, 1992, 176–185, DOI: 10.1109/70.134272. 9. MiÄ…dlicki K., Pajor M., Overview of user interfaces used in load lifting devices, “International Journal of Scientific & Engineering Researchâ€?, Vol. 6, No. 9, 2015, 1215–1220. 10. MiÄ…dlicki K., Pajor M., Real-time gesture control of a CNC machine tool with the use Microsoft Kinect sensor, “International Journal of Scientific & Engineering Researchâ€?, Vol. 6, No. 9, 2015, 538–543. 11. Miadlicki K., Pajor M., Sakow M., Loader Crane Working Area Monitoring System Based on LIDAR Scanner, “Advances in Manufacturingâ€?, Springer, 2018, 465–474, DOI: 10.1007/978-3-319-68619-6_45. 12. MiÄ…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™dzyzdroje, Poland, 2017, 717–722, DOI: 10.1109/MMAR.2017.8046916. 13. MiÄ…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, 207–212, 10.1109/ INISTA.2017.8001158. 14. MiÄ…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, 213–229, DOI: 10.4467/2353737XCT.17.221.7764. 15. Najdovski Z., Nahavandi S., Fukuda T., Design, Development, and Evaluation of a Pinch–Grasp Haptic Interface, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 19, No. 1, 2014, 45–54, 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, 216–219, 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, 268–277, 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, 47–52.

19. Pajor M., MiÄ…dlicki K., SakĂłw M., Kinect Sensor Implementation in Fanuc Robot Manipulation, “Archives of Mechanical Technology and Automationâ€?, Vol. 34, No. 3, 2014, 35–44. 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, 143–154, DOI: 10.1109/TMECH.2014.2307334. 21. SakĂłw M., Marchelek K., Parus A., MiÄ…dlicki K., Control scheme without force sensors for load sensing in telemanipulation systems with force-feedback, “Journal of Machine Construction and Maintenance. Problemy Eksploatacjiâ€?, No. 3, 2017, 21–30. 22. SakĂłw M., MiÄ…dlicki K., Parus A., Self-sensing teleoperation system based on 1-dof pneumatic manipulator, “Journal of Automation, Mobile Robotics and Intelligent Systemsâ€?, Vol. 11, No. 1, 2017, 64–76. 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), “Modelowanie InĹźynierskieâ€?, Vol. 27, No. 58, 2016, 113–122. 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), “Projektowanie Mechatroniczne – Zagadnienia Wybraneâ€?, Katedra Robotyki i Mechatroniki, Akademia GĂłrniczo-Hutnicza w Krakowie, 2016, 139–150. 25. SakĂłw M., Parus A., Sensorless control scheme for teleoperation with force-feedback, based on a hydraulic servo-mechanism, theory and experiment, “Measurement Automation Monitoringâ€?, Vol. 62, No. 12, 2016, 417–425. 26. SakĂłw M., Parus A., MiÄ…dlicki K., Predictive method of force determination in the force-feedback communication channel of remotely controlled system (in Polish), “Modelowanie inĹźynierskieâ€?, Vol. 31, No. 62, 2017, 88–97. 27. Sakow M., Parus A., Pajor M., Miadlicki K., Unilateral Hydraulic Telemanipulation System for Operation in Machining Work Area, Advances in Manufacturing, Springer, 2018, 415–425, DOI: 10.1007/978-3-319-68619-6_40. 28. SakĂłw M., Parus A., Pajor M., MiÄ…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™dzyzdroje, Poland, 2017, 141–146, DOI: 10.1109/MMAR.2017.8046813. 29. Seraji H., Colbaugh R., Adaptive force-based impedance control, IROS ‘93. Proceedings of the 1993 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 1993, Vol. 1533, 1537–1544, 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, “IEEE Transactions on Control Systems Technologyâ€?, Vol. 12, No. 3, 2004, 474–483, 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, “Problemy Eksploatacjiâ€?, 4/2017, 107, 81–89. 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, 103–110, 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, 987–992, 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, “IEEE/ASME Transactions on Mechatronics�, Vol. 20, No. 4, 2014, 1875–1885, DOI: 10.1109/TMECH.2014.2357793. 39. Zhou M., Ben-Tzvi P., RML Glove – An Exoskeleton Glove Mechanism With Haptics Feedback, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 20, No. 2, 2015, 641–652, DOI: 10.1109/TMECH.2014.2305842.

listic neural networks, International Symposium on Neural Networks, Springer, 2011, 83–92, 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, 2250–2255, 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, “ISA Transactions�, Vol. 48, No. 4, 2009, 512–518, 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, 605–620, DOI: 10.1109/70.326566.

# " I E IS " 7 D ,G " % W artykule przedstawiono podejście do projektowania sterowania dwustronnych systemów zdalnej operacji ze sprzęşeniem zwrotnym, przeznaczonym wyłącznie do wykrywania obciąşenia. Opis problemu, analiza dotychczasowych osiągnięć badawczych oraz zakres badania zostały zawarte w pracy. Nowy projekt jednostki sterującej dla systemu Master-Slave z siłowym sprzęşeniem zwrotnym oparty został na modelu NARX. Model został uşyty do odejmowania wartości siły w kanale komunikacyjnym sprzęşenia zwrotnego, który jest generowany przez system podczas ruchu swobodnego. Efektywność działania nowego podejścia została potwierdzone na prostym pneumatycznym stanowisku badawczym obrotowego ramienia manipulatora. W pracy przedstawiono procedurę modelowania i konfiguracji eksperymentalnej, a takşe model zastosowany w układzie sterowania. Opisane są dwa eksperymenty przeprowadzone na układzie sterowania systemu masterslave z siłowym sprzęşeniem 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

•

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, 31–36, DOI: 10.14313/PAR_227/31

Q 7 % 7 3 0 $ 0 3 !

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

% W ostatnich czasach zaobserwować moşna rozwój pojazdów elektrycznych. Czynnikami, które pozytywnie wpływają na to zjawisko jest redukcja emisji spalin oraz hałasu, które generują standardowe pojazdy. Przy mniejszych, mobilnych konstrukcjach elektrycznych, dodatkową zaletą jest zmniejszenie problemu związanego z zatłoczeniem ulic. Artykuł przedstawia projekt oraz wykonanie monocyklu elektrycznego. Uwzględniając załoşenia projektowe, opisano konstrukcję mechaniczną i elektroniczną. Elementy składowe pojazdu połączono w całość, tworząc spójną konstrukcję. ) 0 " " "

/ 6

Według najlepszej wiedzy autorów, w literaturze polskojęzycznej brakuje publikacji dotyczących monocykli.

Aktywność człowieka powoduje wzmoşony popyt na indywidualne środki transportu. W wyniku tego następuje wzrost liczby samochodów osobowych. Samochód umoşliwia szybkie przemieszczanie się bez szeregu ograniczeń związanych np. z harmonogramem komunikacji miejskiej. Niestety w konsekwencji drogi stają się coraz bardziej zatłoczone. Ponadto rośnie ilość emitowanych spalin, wpływając negatywnie na środowisko. Problemy te występują mimo ograniczeń dotyczących uşytkowania starszych samochodów, czy wprowadzenia znişek na bilety komunikacji miejskiej. Przypuszcza się, iş alternatywą dla samochodów mogą być małe pojazdy elektryczne, które będą tanie w utrzymaniu, łatwe w eksploatacji oraz przede wszystkim ekologiczne. Wychodząc naprzeciw oczekiwaniom zdecydowano się na zaprojektowanie i wykonanie monocyklu elektrycznego. Zaprojektowany monocykl jest pojazdem jednośladowym, który ma jedno koło napędzane silnikiem elektrycznym. Pojazd nie emituje spalin, dzięki czemu jest ekologiczny. Urządzenie moşna równieş przetransportować w inne dowolne miejsce, co czyni go w pełni mobilnym. Wyzwaniem stojącym przed uşytkownikiem jest umiejętność balansowania ciałem podczas jazdy. Ostatnio zaobserwować moşna coraz szersze moşliwości stosowania pojazdów opartych na zasadzie zachowania równowagi w danym wymiarze – od automatycznych odkurzaczy przez pojazdy słuşące przemieszczaniu się [1, 2]. Monocyklu elektrycznego nie moşna jednak zakwalifikować jako pojazdu w pełni samobalansującego, gdyş za stan zachowania równowagi odpowiada pośrednio uşytkownik. Zasada działania jest jednak zblişona do dwukołowych balansujących pojazdów mobilnych [3–7].

$ ' 0 R E E % ) =% % $ ,A%&*%,&*. % ,&%&,%,&*. % ! "" # $%&

# 5 ( Głównym celem projektu było zbudowanie wytrzymałego pojazdu słuşącego przemieszczaniu się, którego działanie opiera się na zasadzie zmiany kąta wychylenia uşytkownika. Koszt realizacji projektu był jednym z głównych wyznaczników, dlatego teş zastosowano silnik DC (ang. Direct Current), który jest znacznie tańszy od silnika BLDC (ang. BrushLess Direct Current). Końcowy wygląd monocyklu odbiega od tych dostępnych na rynku. Starano się uzyskać jak najwyşszą jakość wykonania, zapewniając jednocześnie bezpieczeństwo w trakcie eksploatacji pojazdu oraz wytrzymałość na przeciąşenia związane z masą własną uşytkownika. Zmiany prędkości podczas jazdy powinny odbywać się moşliwie płynnie, bez większych szarpnięć przekładni łańcuchowej. Wymiary konstrukcji powinny być takie, aby zmieścić monocykl między nogami, przy zachowaniu komfortu dla kierowcy. Załoşono, şe masa całej konstrukcji nie powinna przekroczyć 10 kg czyli tyle, ile wynosi masa komercyjnych monocykli. Czas pracy baterii powinien zapewnić około 15 minut jazdy. W konstrukcji nie uwzględniono amortyzatorów, dlatego teş pojazd nie jest przystosowany do pokonywania większych przeszkód, takich jak krawęşniki czy uskoki.

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

31

Monocykl elektryczny – projekt i realizacja

U U . E ,

widok wykonanej ostatecznej wersji monocyklu. W kolejnych podrozdziałach zostały szczegółowo omówione składowe części całego projektu mechanicznego.

Układ napędowy składa się z przekładni łańcuchowej, gdzie jedno z kół zębatych (koło wejściowe) znajduje się na wale silnika, natomiast drugie umieszczono na osi koła (koło wyjściowe). Oba koła połączono łańcuchem. Zdecydowano się wykorzystać ten rodzaj napędu, gdyş charakteryzuje się on zachowaniem wysokiej sprawności oraz zapewnia pracę bez poślizgu. Stosunek wielkości kół opisuje wyraşenie:

U / : 7 Po analizie, w projekcie zastosowano silnik szczotkowy (DC), zasilany napięciem 24 V o mocy 500 W (model ZY1020GD). Parametry silnika dobrano tak, aby wprawić w ruch cały mechanizm napędowy. Charakteryzuje się on momentem obrotowym 1,91 Nm, prędkością obrotową pod obciąşeniem na poziomie 2500 obr./min oraz natęşeniem prądu ponişej 26,7 A [9].

(1)

gdzie: N – wartość przekładni [–], n1 – liczba zębów na większym kole [–], n2 – liczba zębów na mniejszym kole [–].

U # 4 & 7 Podstawowym zadaniem ramy monocyklu jest utrzymanie cięşaru czĹ‚owieka oraz zapewnienie optymalnego rozmieszczenia współpracujÄ…cych części. Wszystkie spawy zostaĹ‚y wykonane spawarkÄ… inwertorowÄ…, wykorzystujÄ…c elektrody otulone [10]. Jako gĹ‚Ăłwny element ramy, ze wzglÄ™du na duşą wytrzymaĹ‚ość, wykorzystano widelec aluminiowy z roweru trekkingowego, ktĂłry zmodyfikowano. PrzyĹ‚Ä…czono do niego dwie stalowe podstawki, ktĂłre zapewniĹ‚y mocowanie silnika. PozostaĹ‚a powierzchnia rury, ktĂłra znajduje siÄ™ powyĹźej silnika, zostaĹ‚a wygiÄ™ta o kÄ…t 45°, peĹ‚niÄ…c rolÄ™ rÄ…czki do transportu monocyklu. WizualizacjÄ™ mocowania silnika przedstawiono na rysunku 3. NastÄ™pnie doĹ‚Ä…czono koĹ‚o o Ĺ›rednicy 16 cali i zamontowano podnóşki. SkĹ‚adajÄ… siÄ™ one z zawiasu dolnego, gĂłrnego oraz stopy, ktĂłrÄ… wyciÄ™to z arkusza stali nierdzewnej (rys. 4). Stopa zostaĹ‚a przykrÄ™cona do zawiasu dolnego oraz punktowo przyspawana. Z gĂłry natomiast zostaĹ‚a pokryta gumowÄ… powierzchniÄ… antypoĹ›lizgowÄ…. CaĹ‚ość naĹ‚oĹźono na oĹ› koĹ‚a, a nastÄ™pnie poĹ‚Ä…czono z dolnÄ… częściÄ… golenia za pomocÄ… Ĺ›rub. Tak zbudowany mechanizm umoĹźliwia skĹ‚adanie i rozkĹ‚adanie podnóşka. W celu uĹ‚atwienia uĹźytkownikowi utrzymania rĂłwnowagi podczas przemieszczania siÄ™, podnóşki Ĺ›wiadomie umieszczono poniĹźej Ĺ›rodka cięşkoĹ›ci koĹ‚a (osi obrotu). Ĺ Ä…czenie podnóşka z ramÄ… konstrukcyjnÄ… pokazano na rysunku 5.

W celu wyliczenia momentu obrotowego koĹ‚a, naleĹźy wyznaczyć moment obrotowy zÄ™batki wyjĹ›ciowej: Mn = Msil¡N¡m

(2)

gdzie: Mn – moment obrotowy koĹ‚a napÄ™dowego [N m], Msil – moment obrotowy zÄ™batki silnika [N m], N – staĹ‚a przekĹ‚adni [–], m – sprawność przekĹ‚adni [%]. PodstawiajÄ…c moment obrotowy silnika, ktĂłry odczytano z noty katalogowej, oraz staĹ‚Ä… wartość sprawnoĹ›ci przekĹ‚adni, otrzymujemy: Mn = 1,98¡7,27¡0,8 = 11,51 N¡m

(3)

NastÄ™pnie, po zmierzeniu promienia koĹ‚a monocyklu i zÄ™batki wyjĹ›ciowej oraz wyliczeniu stosunku tych wartoĹ›ci, ktĂłry wynosi 2,41, moĹźna wyliczyć moment obrotowy koĹ‚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

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

" # $ %

Rys. 6. Mocowanie zÄ™batki wyjĹ›ciowej Fig. 6. Fastening the starting rack Rys. 4. Schemat zĹ‚oĹźeniowy podnóşka Fig. 4. Folding diagram of the footrest

+ 6%b

Rys. 5. Wizualizacja Ĺ‚Ä…czenia podnóşka z ramÄ… konstrukcyjnÄ… Fig. 5. Visualization of connecting the footrest with the construction frame

Obliczone wielkości Mn i Mk pokazują, jakie momenty obrotowe osiąga przekładnia i koło monocyklu. Po wykonaniu powyşszych obliczeń przystąpiono do budowy przekładni. Aby zapobiec zjawisku bicia osiowego i promieniowego naleşało zaprojektować, a następnie dołączyć elementy stabilizujące zębatkę. Przyspawano więc do obu stron piasty dwie tarcze dociskowe. Wizualizację mocowania zębatki wyjściowej przedstawiono na rysunku 6. Dzięki tak zbudowanemu układowi moşemy wyliczyć prędkość obrotową koła. Podstawiając do zaleşności (5) wartość sprawności przekładni na poziomie 80% mamy [11]:

Za część elektroniczną odpowiadają cztery odrębne podzespoły, a mianowicie: zasilanie, główna jednostka sterująca, sterownik silnika oraz urządzenia pomiarowe. Kaşdy z nich musi spełniać kryterium nominalnego obsługującego napięcia wejściowego oraz prądów, zarówno ciągłych, jak i chwilowych. Biorąc pod uwagę dalszą rozbudowę projektu zdecydowano się na umieszczenie wszystkich elementów elektronicznych na płytce uniwersalnej, wykorzystując metodę montaşu przewlekanego THT (ang. Through-Hole Technology) [10]. Aby zapobiec uszkodzeniu układu płytkę uniwersalną przymocowano trwale do skrzynki ochronnej. Schemat połączeniowy układów elektronicznych przedstawiono na rysunku 7. Uwzględniając występujące wartości prądu i napięcia silnika, przewody zasilające dobrano tak, aby zapewniły jak najmniejsze spadki napięcia. Taki sam rodzaj przewodów zastosowano przy szeregowym łączeniu akumulatorów oraz zasilaniu przetwornicy. Do wyliczenia spadku napięcia na uşytym przewodzie skorzystano z zaleşności: (7) gdzie: ΔU – wartość spadku napięcia [%], In – wartość prądu znamionowego [A], l – długość przewodu [m], s– konduktywność [S m/mm2], Un – wartość napięcia znamionowego [V], s – pole przekroju poprzecznego kabla zasilającego [mm2]. Wykorzystując miedziany przewód o przekroju 2,5 mm2 i długości 0,3 m oraz podstawiając dane katalogowe silnika otrzymano:

(5)

(8)

gdzie: ω – prędkość obrotowa [rad/s], RPM – prędkość obrotowa silnika [obr./min], N – wartość przekładni [–].

Dla połączeń części logicznej pominięto obliczenia, gdyş występujące spadki napięcia są nieistotne. Projektując część elektroniczną naleşy uwzględnić zjawisko kompatybilności elektromagnetycznej, które moşe być źródłem potencjalnych zakłóceń. W celu zabezpieczenia układu przed ewentualnymi nieprawidłowościami naleşy spełnić kilka podstawowych zasad [13]. W stworzonym projekcie kaşdy element cyfrowy oraz analogowy został zasilony napięciem o odpowiedniej wartości, zgodnie z dokumentacją techniczną. Ponadto dąşono do uzyskania moşliwie jak największej liczby połączeń

Wykorzystując dane katalogowe silnika oraz wyliczoną wcześniej wartość przekładni, maksymalna prędkość obrotowa koła wynosi: (6)

33

Monocykl elektryczny – projekt i realizacja

Rys. 7. Schemat połączeniowy części elektronicznych Fig. 7. Connection diagram of electronic components

/ 5 Do zasilania monocyklu wykorzystano akumulatory litowo-polimerowe. Kryterium wyboru było zapewnienie odpowiednio wysokiego napięcia (24 V) oraz wymaganej wydajności prądowej. Zdecydowano się na zakup akumulatora Li-Pol firmy Redox, składającego się z trzech ogniw o łącznej pojemności 3000 mAh [14]. Prąd rozładowywania akumulatora wynosi 60 A, co umoşliwia obsługę znacznie wyşszych prądów rozruchowych. Koniecznym okazało się połączenie dwóch akumulatorów, gdyş pojedynczy pakiet generował niewystarczającą wartość napięcia. Oba akumulatory połączono szeregowo (Rys. 9). Dzięki temu uzyskano napięcie o wartości 22,2 V, czyli zblişone do wartości znamionowej zastosowanego silnika. Uwzględniając dane katalogowe akumulatorów obliczono przyblişony czas pracy monocyklu: (9)

gdzie: t – czas pracy [h], C – pojemność pakietu [Ah], – Ĺ›rednia wartość pobieranego prÄ…du [A]. W celu wydĹ‚uĹźenia czasu pracy monocyklu kolejne pakiety (Rys. 9) naleĹźy Ĺ‚Ä…czyć rĂłwnolegle. Zasilanie pozostaĹ‚ych elementĂłw części logicznej, z wyjÄ…tkiem kontaktronu, zostaĹ‚o doprowadzone z pinu 5 V jednostki sterujÄ…cej Arduino. Komputer Arduino zasilono natomiast poĹ›rednio przez akumulatory – wartość napiÄ™cia zostaĹ‚a obniĹźona do 7 V przez przetwornicÄ™ obniĹźajÄ…cÄ… napiÄ™cie LM2596 [15]. Kontaktron wymagaĹ‚ niĹźszej wartoĹ›ci napiÄ™cia (okoĹ‚o 1,5 V), dlatego zdecydowano siÄ™ zbudować dzielnik napiÄ™cia zĹ‚oĹźony z dwĂłch rezystorĂłw 220 Ί.

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

masy układu cyfrowego z masą obudowy, zabezpieczając w ten sposób układ przez zakłóceniami pochodzącymi od sprzęşenia płytki z obudową. Z racji tego, iş pojazd zasilany jest silnikiem prądu stałego, w którym wartości prądu pobieranego są znaczące, zdecydowano o odseparowaniu go od pozostałych elementów elektronicznych. Układ elektroniczny (rys. 7) umieszczono w szczelnej obudowie. Na rysunku 8 pokazano strukturę elektroniczną monocyklu wraz z występującymi sygnałami pomiędzy danym elementem pojazdu.

34

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

# ; 7

' Jako centralną jednostkę sterującą wykorzystano moduł Arduino UNO. Ma on wbudowany mikrokontroler ATMega328. Programowanie jednostki odbywa się w środowisku Arduino IDE z wykorzystaniem odpowiednich bibliotek [16]. A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

" # $ % tron. Jest to łącznik elektryczny, sterowany przez pole magnetyczne. Impulsy elektryczne zliczane są wtedy, gdy kontaktron znajdzie się na tej samej wysokości, co magnes zamontowany na szprysze koła. Na podstawie częstości impulsów oraz znajomości promienia koła obliczana jest prędkość obrotowa pojazdu.

[ .

Rys. 9. Schemat połączenia akumulatorów Fig. 9. Battery connection diagram

Do komunikacji z şyroskopem wykorzystano magistralę I2C, która zapewnia przesyłanie danych między urządzeniami za pomocą dwukierunkowych linii – SDA (ang. Serial Data Line) (pin A4 – rys. 7) oraz SCL (ang. Serial Clock Line) (pin A5 – rys. 7). Komunikacja odbywa się w trybie Master-Slave [17]. Zaproponowano dwie metody sterowania. Na początku pojazd pracował w otwartej pętli sterowania. Po przeprowadzonych testach zdecydowano się na implementację regulatora PID (ang. Proportional-Integral-Derivative). Wielkością regulowaną jest prędkość liniowa monocyklu. Nastawy dobrano stosując I metodę Zieglera-Nicholsa, które następnie odpowiednio zmodyfikowano przez zastosowanie metody doświadczalnej [18]. Za pomocą prędkościomierza zostaje odczytana aktualna wartość prędkości, która następnie trafia do jednostki sterującej, gdzie następuje skalowanie sygnałów oraz regulacja układu. Z powodu duşych błędów odczytu sygnału z akcelerometru, spowodowanymi szumami wyjść pomiarowych, niezbędnym okazało się zastosowanie filtru. Wykorzystano do tego filtr Kalmana. Za pomocą wbudowanego w układ MPU6050 şyroskopu, następuje odczyt wartości prędkości kątowej. Następnie dokonuje się fuzja z sygnałem pochodzącym z akcelerometru (przyspieszenie kątowe). Po realizacji filtracji sygnałów, sygnał pochodzący z akcelerometru zostaje pozbawiony szumów [19].

U ) Mikrokontroler ma pin umoşliwiający generowanie sygnału prostokątnego PWM (ang. Pulse Width Modulation). Z powodu zbyt duşych wartości prądów i napięć pochodzących od silnika, niemoşliwym było jego bezpośrednie połączenie z modułem Arduino UNO. Niezbędnym okazało się wykorzystanie sterownika silnika BTS7960, który umoşliwia ruch pojazdu w obie strony [20]. Sterownik równieş wykorzystuje metodę sterowania PWM, w której przez modyfikację szerokości impulsu, przy niezmienionej amplitudzie, regulowana jest wartość sygnału napięciowego. Na wejście logiczne sterownika trafia sygnał z centralnej jednostki sterującej. Na jego podstawie, w celu sterowania silnikiem DC, wytwarzany jest sygnał o odpowiednim wypełnieniu. O kierunku ruchu silnika decyduje stan wysoki na pinach LPWM (ang. Left PWM) oraz RPWM (ang. Right PWM).

q ' W projekcie wielkościami mierzonymi są: kąt wychylenia w stosunku do osi poziomej w pozycji stojącej monocyklu oraz prędkość obrotowa koła, która słuşy do regulacji prędkości koła. Do pomiaru kąta odchylenia pojazdu wykorzystano 3-osiowy akcelerometr i şyroskop MPU6050. ŝyroskop mierzy zmianę połoşenia na podstawie pomiaru obrotu względem danej osi – w projekcie jest to oś Y. Akcelerometr określa aktualne połoşenie na podstawie wartości przyspieszenia ziemskiego działającego na daną oś. Dzięki tym urządzeniom pomiar wychylenia staje się dokładniejszy [21]. Do pomiaru prędkości obrotowej monocyklu, którą potem przeliczono na wartość prędkości liniowej, wykorzystano kontak-

Główny cel, jakim było zaprojektowanie oraz wykonanie monocyklu elektrycznego, został w pełni zrealizowany. Spełniono równieş wszystkie załoşenia projektowe dotyczące ograniczenia maksymalnego budşetu oraz zasady działania pojazdu. Jazda na monocyklu jest moşliwa, jednak wymaga umiejętności utrzymania równowagi przez kierowcę. Główną wadą, którą zaobserwowano podczas eksploatacji monocyklu, jest zastosowany silnik. Wymusza on zainstalowanie przekładni łańcuchowej, która z kolei powoduje delikatne szarpnięcia. Ponadto jego duşe gabaryty znacznie ograniczają miejsce na inne komponenty pojazdu. Pojazd ma budowę modułową, co umoşliwia dalszą jego rozbudowę i prostą zmianę komponentów. W przyszłości zaplanowano prace związane z wymianą silnika DC na BLDC oraz dołączenie modułu elektronicznego słuşącego 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 – CONTROLO, September 11–13, 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 1–3, 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. “Arabian Journal for Science and Engineeringâ€?, Vol. 41, No. 11, 2016, 4487–4507, DOI: 10.1007/s13369-016-2163-x. 5. Srikanth B., Pavan Kumar Maddukuri S. V., Design and Fabrication of I-Cycle. “International Journal of Electronics and Electrical Engineeringâ€?, Vol. 3, No. 5, 2015, 359–364, DOI: 10.12720/ijeee.3.5.359-364. 6. PipczyĹ„ski P., Piotrowski R., DwukoĹ‚owy pojazd balansujÄ…cy – budowa i sterowanie. „Pomiary Automatyka Kontrolaâ€?, Vol. 60, Nr 4, 2014, 244-249. 7. Lebioda S., Sidzina M., JabĹ‚oĹ„ski A., KĹ‚osiĹ„ski J., Robot balansujÄ…cy – implementacja. „Zeszyty Naukowe WydziaĹ‚u Elektrotechniki i Automatyki Politechniki GdaĹ„skiejâ€?, Nr 55, 2017, 29–34. 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™p 16.01.2018. 10. Wilk Z., Poradnik spawacza. Wydawnictwo Tarbonus, KrakĂłw 2014. 11. Skoć A., ĹšwitoĹ„ski E., PrzekĹ‚adnie zÄ™bate. Zasada dziaĹ‚ania. Obliczenia geometryczne i wytrzymaĹ‚oĹ›ciowe. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016. 12. BieczyĹ„ski D., Technologia montaĹźu elektroniki. „Elektronika Praktycznaâ€?, Nr 4, 2013, 75–78.

35

Monocykl elektryczny – projekt i realizacja 18. Brzózka J., Regulatory i układy automatyki. Wydawnictwo Mikom, Warszawa 2004. 19. Zając M., Filtracja Kalmana w technice na przykładzie urządzenia SST. „Zeszyty Naukowe Wyşszej Szkoły Informatyki�, Vol, 12, Nr 1, 2013, 5–20. 20. Datasheet BTS7960. 21. Datasheet MPU6050.

13. Charoy A., Kompatybilność 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, dostęp 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

•

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, 37–42, DOI: 10.14313/PAR_227/37

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

Streszczenie: Złoşone procesy wytwórcze wymagają stosowania zaawansowanych technologii w nowoczesnych stanowiskach zautomatyzowanych i zrobotyzowanych. W technologiach spajania realizowane obecnie stanowiska nie tylko dostarczają prawidłowo pospawane produkty, ale oczekuje się od nich równieş pełnej kontroli danych procesowych z moşliwością ich analizy w dowolnym miejscu poza stanowiskiem. Nie mniej waşnym elementem w sytuacji ograniczonej przestrzeni na halach produkcyjnych jest nieskomplikowana zmiana lokalizacji stanowiska. W artykule przedstawiono koncepcję zrobotyzowanego stanowiska spawalniczego o wysokiej wydajności typu Plug and Produce z moşliwością przekazywania danych procesowych do serwera zewnętrznego. ) 0 " 4%& E " = "

1. Wprowadzenie Przemysł 4.0 wymusza na producentach złoşonych systemów z zakresu automatyzacji i robotyzacji procesów technologicznych projektowania rozwiązań o charakterze mechatronicznym w szerszym niş do tej pory rozumieniu. Synergicznie powiązane elementy mechaniczne, elektromechaniczne, elektroniczne, informatyczne oraz sensoryczne muszą być budowane na kręgosłupie, jakim jest w danej aplikacji proces technologiczny. Współczesna produkcja przemysłowa dąşy do szeroko pojętej optymalizacji. Wzrost wymagań dotyczących obszarów jakości, czasu wytworzenia, powtarzalności, norm środowiskowych, BHP, poprawy warunków pracy na stanowiskach staje się szczególnie istotne w przemyśle motoryzacyjnym, metalowym oraz maszynowym, gdzie technologie spawalnicze naleşą do podstawowych procesów wytwórczych. Wychodząc naprzeciw zapotrzebowaniu współczesnego rynku firma PPU ZAP-Robotyka z siedzibą w Ostrowie Wielkopolskim zaprojektowała i wykonała zrobotyzowane stanowisko spawalnicze typu Plug and Produce.

2. Realizacja praktyczna stanowiska Zapotrzebowanie rynku metalowego postawiło przed inşynierami zadanie zaprojektowania i wykonania zrobotyzowanego stanowiska do spawania detali metalowych z krótkim czasem trwania procesu przy jednoczesnej liczbie spoin na poziomie kilkudziesięciu. Całość zadania od momentu załoşenie detalu do

$ ' 0 > > " % " ) @ E % "% $ &*%*,%,&*- % ,$%&*%,&*. % ! "" # $%&

jego odebrania po procesie nie powinna przekraczać 60 s. Parametry związane z procesem spawalniczym powinny być monitorowane i zapisywane do zewnętrznej bazy celem ich archiwizacji w połączeniu z wcześniej naniesionym numerem ewidencyjnym tegoş detalu. Zarchiwizowane dane mają być dostępne w całym cyklu şycia wyprodukowanego elementu. Stanowisko naleşy wyposaşyć w skuteczny system filtracji zanieczyszczeń pochodzących od procesu spawalniczego, w wyniku działania którego pobrane zanieczyszczone powietrze powinno zostać wypuszczone na halę produkcyjną jako czyste. Obsługa stanowiska jest intuicyjna i w najszerszym moşliwym stopniu zwizualizowana za pomocą specjalnych ekranów wyświetlanych na panelu operatora. Dodatkowym załoşeniem dla projektu była jego mobilność, polegająca na moşliwości zmiany lokalizacji stanowiska w ramach danej hali produkcyjnej bez konieczności prowadzenia prac demontaşowych. W przypadku konieczności przetransportowania stanowiska na znaczą odległość demontaş powinien być ograniczony do minimum, a podstawowe elementy decydujące o procesie nie powinny być demontowane. Potrzeba zbudowania stanowiska w duchu Przemysłu 4.0 spowodowała, iş zespół projektowy przyjął ścisłe wytyczne w realizowanym projekcie – ze względu na bardzo krótki czas realizacji procesu technologicznego, powiązany z duşą liczbą spoin załoşono zastosowanie dwóch robotów przemysłowych w powiązaniu z dwoma niezaleşnymi urządzeniami spawalniczymi oraz dwoma niezaleşnymi układami kosmetyki palnika spawalniczego. Uznano, iş część wykonawcza stanowiska zostanie podzielona na dwie strefy: strefę technologiczną oraz strefę wyładowczo/załadowczą. Takie rozwiązanie umoşliwia prowadzenie procesu technologicznego przy jednoczesnym procesie zakładania i zdejmowania detali. Koncepcja ta wymusza jednak zastosowanie niezwykle szybkiego urządzenia pozwalającego na zmianę stron. W projekcie zdecydowano się na realizacje tego zadania z wykorzystaniem pozycjonera trzy osiowego o poziomych osiach obrotu. Na osiach roboczych tego pozycjonera zaimplementowano stoły spawalnicze, których działanie zostało w pełni zautomatyzowane. Wszystkie elementy stanowiska zostały zamontowane na wspólnej podstawie, która razem z systemem

37

/ $ $ % ; ! % ! % M+G ścian bocznych oraz okapów wyciągowych tworzy zamkniętą kabinę spawalniczą. Komunikacja między poszczególnymi elementami stanowiska odbywa się za pomocą protokołu EthernetIP a rozpoznawanie poszczególnych detali, które poddawane są procesowi, zrealizowane zostało za pomocą czujników wizyjnych.

# / 4 Przedsiębiorstwo ZAP-Robotyka jako jeden z integratorów firmy FANUC oferuje w swoich rozwiązaniach roboty tej firmy, która potrafi sprostać wysokim wymaganiom nowoczesnego przemysłu. Stanowisko zostało wyposaşone w dwa manipulatory sześcioosiowe, dwie osie zewnętrzne o sterowaniu ciągłym, osadzone na pozycjonerze oraz kontroler będący wspólną jednostką sterującą. Wymagania czasowe procesu spowodowały konieczność pracy współbieşnej tych wszystkich podzespołów. Dzięki zastosowaniu rozwiązania Dual Arm moşliwe jest sterowanie dwoma robotami i dwiema osiami zewnętrznymi z jednego kontrolera. Połączenie wszystkich osi w jeden system sterowania niesie za sobą nie tylko korzyści ekonomiczne, lecz takşe korzyści wynikające z duşo lepszej integracji i współdziałania w miejscach, gdzie zadania muszą być wykonywane równolegle. Zaawansowana funkcja Interference Check umoşliwia ochronę przed kolizją mogącą wystąpić między manipulatorami. Funkcje ruchu skoordynowanego Coordinate Motion pozwalają na łączenie ze sobą i synchronizację grup ruchu. Koordynacja ruchów umoşliwia spawanie detalu przez robota przy jednoczesnym ruchu osi zewnętrznej. Daje to duşą elastyczność dostosowania trajektorii robota dla miejsc trudno dostępnych lub wymuszonych procesem technologicznym, np. wymóg kładzenia spoin w określonej pozycji podczas jednoczesnego ruchu obrotowego detalu. Roboty wyposaşone są takşe w certyfikowaną funkcję bezpieczeństwa spełniającą wymogi trzeciego stopnia w kategorii Pld o nazwie DCS (ang. Dual Check Safety). Dzięki redundantnym układom bezpieczeństwa robot moşe sprawdzać swoją pozycję i prędkość oraz zatrzymać się bezpiecznie, jeśli w jego obszarze pracy znajdzie się człowiek. Dzięki zastosowaniu tej funkcji w znaczący sposób została uproszczona całość aplikacji pod względem bezpieczeństwa oraz znacznie przyspieszony został czas potrzebny na jej uruchomienie. Funkcja bezpieczeństwa DCS umoşliwiła teş redukcję przestrzeni stanowiska. Finalnie połączenie kontrolera robotów ze sterownikiem nadrzędnym PLC w jeden spójny system rozszerza go i daje większe moşliwości kontroli i sterowania procesem.

Rys. 1. Dwustanowiskowy pozycjoner typu „H� o poziomej osi obrotu Fig. 1. Two-position “H� positioner with horizontal axis of rotation

− pozycja montaĹźowa robota oraz dodatkowego osprzÄ™tu stanowiska nie jest kolizyjna z operacjÄ… zmiany stron pozycjonera. Przy projektowaniu pozycjonera naleĹźaĹ‚o teĹź przewidzieć rozdzielenie części zaĹ‚adowczej od części technologicznej (przesĹ‚ona staĹ‚a montowana na osi obrotu), jak rĂłwnieĹź koniczność posadowienie tego pozycjonera w kabinie spawalniczej.

# U ) Praktyczna realizacja zrobotyzowanego procesu spawalniczego wymaga uşycia specjalistycznego oprzyrządowania. Stanowi ono jeden z kluczowych elementów stanowiska ze względu na fakt, iş dzięki niemu spawany detal zachowuje pełną powtarzalność wymiarową. Konstrukcja kaşdego rodzaju oprzyrządowania powinna zostać wykonana w taki sposób, aby zapewnić uzyskanie kluczowych wymiarów zgodnych z dokumentacją, jak równieş ograniczyć do minimum efekt odkształceń spawalniczych. W związku z podziałem części wykonawczej stanowiska na dwie strefy konieczne było wykonanie dwóch niezaleşnych oprzyrządowań. Wstępna analiza zadania spawalniczego wykazała, iş obszar związany z oprzyrządowaniem będzie zawarty w przestrzeni 1400 mm × 400 mm, co stało się równieş pewną wytyczną dla projektu pozycjonera. Oprzyrządowanie zostało zbudowane z szeregu niezwykle precyzyjnych elementów mechanicznych pokrytych specjalną powłoką galwaniczną zapobiegającą przyklejania się ewentualnych odprysków spawalniczych i zamontowanych na wspólnej płaszczyźnie stanowiącej podstawę oprzyrządowania (rys. 2). W elementach pozycjonujących detale przewidziano moşliwość zamontowania specjalistycznych czujników odpornych na warunki spawalnicze, których zadaniem jest potwierdzenie prawidłowego włoşenia podzespołów spawanego zespołu. Brak potwierdzenia z tych czujników pozwala uniknąć wykonania wadliwej produkcji. Celem pewnego a jednocześnie bardzo szybkiego dociśnięcia elementów w gniazdach oprzyrządowania zastosowano specjalizowane zaciski pneumatyczne, które dodatkowo wyposaşono w system czujników potwierdzających ich otwarcie i zamknięcie. Taka konstrukcja oprzyrządowania wymusza konieczność doprowadzenia spręşonego powietrza do obsługi zacisków, systemu zasilania czujników oraz układu zbierającego informacje o prawidłowo załoşonych detalach i zamkniętych lub otwartych zaciskach. Wszystkie potrzebne media zostały doprowadzone do oprzyrządowania za pomocą wielofunkcyjnego złącza przemysłowego uzyskując moşliwość wymiany oprzyrządowania na inne.

2.2. Pozycjoner trzy osiowy o poziomych osiach obrotu Realizacje koncepcji podziaĹ‚u strefy wykonawczej na dwie strefy przy jednoczesnej potrzebie budowy kompaktowego stanowiska w ujÄ™ciu caĹ‚oĹ›ciowym wymusiĹ‚a zaprojektowanie dwustanowiskowego pozycjonera typu „Hâ€? o poziomej osi obrotu (rys. 1.). Pozycjoner taki tworzy maszynÄ™ o trzech rĂłwnolegĹ‚ych poziomych osiach obrotowych – dwĂłch roboczych oraz jednej gĹ‚Ăłwnej. ObrĂłt osi gĹ‚Ăłwnej zbudowano w oparciu o moduĹ‚ krzywkowy napÄ™dzany silnikiem asynchronicznym. RozwiÄ…zanie to pozwoliĹ‚o uzyskać zmianÄ™ stron w czasie okoĹ‚o 3,6 s przy obciÄ…Ĺźeniu 300 kg/stronÄ™. Osie robocze zaprojektowano w ukĹ‚adzie wrzecionowym stosujÄ…c po jednej stronie cześć napÄ™dowÄ… opartÄ… o wysokiej klasy przekĹ‚adnie oraz silniki stanowiÄ…ce dodatkowe osie systemu robotowego (dodatkowe osie robota) a z drugiej strony system podtrzymujÄ…cy umoĹźliwiajÄ…cy doporowadzenie w ten obszar sygnaĹ‚Ăłw sieciowych, elektrycznych, pneumatycznych oraz masy spawalniczej. PrzyjÄ™cie takiego rozwiÄ…zania zapewniĹ‚o: − lepsze usytuowanie stoĹ‚u spawalniczego w stosunku do zasiÄ™gu manipulatorĂłw, − brak koniecznoĹ›ci zapewnienia dodatkowej przestrzeni na operacjÄ™ zmiany stron,

38

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

2.4. Kabina spawalnicza Budowa stanowiska typu Plug and Produce wymaga zapewnienia pewnego, a co najwaşniejsze sztywnego zamocowania elementów stanowiska do specjalnie skonstruowanej podłogi. Spodnia część podłogi została wyposaşona w trasy kablowe, A

T

Y

K

A

•

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 '

Całość stanowiska jest zarządzana przez nadrzędny sterownik PLC (ang. Programmable Logic Controller). Sterownik został wyposaşony w odpowiednią liczbę wejść oraz wyjść cyfrowych, zarówno znajdujących się w głównej szafie sterującej, jak i w postaci rozproszonych modułów. Umoşliwiają one zbieranie informacji z czujników, urządzeń peryferyjnych oraz sterowanie elementów wykonawczych, jak siłowniki, pozycjoner, kontrolki świetlne, brama rolowana itp. Stanowisko wyposaşone jest w moduły komunikacyjne umoşliwiające połączenie systemu w sieć wymiany danych przy wykorzystaniu przemysłowego protokołu komunikacyjnego EthernetIP. Protokoły komunikacyjne bazujące na warstwie fizycznej Ethernet, takie jak EthernetIP, EtherCat, Profinet, ModbusTCP, obecnie są coraz częściej stosowane niş protokoły niedziałające na tej warstwie, np. Profibus, RS-232C, Modbus itp. Wynika to m.in. z łatwego oraz taniego łączenia i rozpraszania urządzeń w sieci za pomocą przełączników (ang. Switch) oraz stosowanie ogólnodostępnych przewodów i wtyków. Poglądowy schemat sterowania stanowiska został przedstawiony graficznie na rysunku (rys. 4).

Wysokiej klasy urządzenia spawalnicze firmy Lincoln Electric są integralną częścią stanowiska zrobotyzowanego. Urządzenia spawalnicze mają interfejs komunikacyjny z kontrolerem robotów Fanuc. Tym samym robot z dedykowanym oprogramowaniem umoşliwia sterowanie parametrami procesu bez konieczności ustawiania czegokolwiek bezpośrednio na urządzeniu spawalniczym. Pełna integracja robota ze źródłem spawalniczym pozwala na wygodę i znaczne przyspieszenie procesu programowania. Zastosowanie zaawansowanego procesu spawalniczego RapidArc umoşliwia w znaczącym stopniu zwiększenie prędkości procesu spawania a tym samym skrócenie jego czasu. Umoşliwione jest to dlatego, şe RapidArc utrzymuje krótki i stabilny łuk spawalniczy, a dzięki precyzyjnej kontroli transferu kropli spoiwa dodatkowo ograniczone jest powstawanie odprysków.

2.9. Akwizycja, zapis i przetwarzanie danych spawalniczych Rejestracja danych spawalniczych w firmach produkcyjnych, gdzie wymagane jest spełnienie norm bezpieczeństwa dla produkowanych wyrobów jest procesem często niezbędnym. Gromadzone dane słuşą nie tylko do kontroli i polepszenia jakości produktu, ale dokumentowaniu zgodności ze wszystkimi normami i wymaganiami prawnymi dla tego typu detali spawanych. Stanowisko wykorzystuje narzędzie akwizycji danych spawalniczych bezpośrednio z samego źródła spawalniczego. Obecnie na rynku widoczne są trendy w kierunku gromadzenia i przetwarzania danych za pomocą dedykowanych usług znajdujących się w tak zwanej Chmurze (ang. Cloud). Rozwiązania te są w ciągłym rozwoju i na tę chwilę oferują szereg bardzo zaawansowanych metod gromadzenia i analizy danych. Spełnienie specyficznych wymagań stawianych przez klienta lub proces ogranicza moşliwość jego pełnego wykorzystania dla tego konkretnego przypadku. Dlatego w stosunku do wysokich wymogów stawianych przez klientów, rozwiązania te często są niewystarczające. Skuteczne przetwarzanie i analizowanie duşej ilości danych, determinuje w niektórych przypadkach potrzebę wykonania autorskiej modyfikacji oferowanej koncepcji. Modyfikacja polegająca na gromadzeniu danych lokalnie na serwerze (rys. 5) stworzonym specjalnie pod potrzeby klienta zamiast usług oferowanych w Chmurze, pozwala na bardziej elastyczną oraz bardziej otwartą analizę i przetwarzanie danych. Zapisywanie jednak tak duşej ilości danych, rzędu miliona rekordów w ciągu miesiąca, oraz wymogi szybkiego ich przetwarzania wymagają zastosowania zaawansowanych i wydajnych mechanizmów bazodanowych. Tym samym na lokalnym serwerze została zaimplementowana baza danych w oparciu o model relacyjny. Obecnie modelowanie danych za pomocą relacji jest najpowszechniej stosowanym podejściem. Taki model danych

2.6. Panel dotykowy HMI Interfejsem dla sterownika PLC jest przemysłowy panel dotykowy HMI (ang. Human Machine Interface). Panel dotykowy umoşliwia interakcję operatora z maszyną. Pozwala na parametryzowanie stanowiska, wyświetlanie komunikatów o ostrzeşeniach i błędach, reset stanów błędu, sterowanie ręczne. Stanowisko ma dwa tryby pracy, w którym moşe pracować: tryb ręczny oraz tryb automatyczny. Wybierając tryb ręczny, operator moşe ręcznie sterować podzespołami stanowiska z poziomu panelu dotykowego. Wybierając tryb pracy automatyczny – kontrolę nad podzespołami i urządzeniami przejmuje PLC i zarządzanie całym procesem jest zgodne z zaprogramowanym algorytmem działania.

2.7. Detekcja detali Metody detekcji detali bazujące na przemysłowych systemach wizyjnych są dziś standardem. Producenci urządzeń stosują w swoich rozwiązaniach bardzo zaawansowane lokalne metody oświetlenia przy rejestracji obrazu, zmniejszające w duşym stopniu wpływ czynników zewnętrznym na przebieg procesu. Zastosowane na stanowisku systemy wizyjne firmy Keyence dały moşliwość jednoznacznej identyfikacji detalu poprzez odczyt kodu 2D wybitego na jego ściance po uprzednim znakowaniu. Odczytany numer jest następnie wiązany z danymi spawalniczymi i wraz z nimi zapisywany do bazy danych. Urządzenia wizyjne obsługują protokół EthernetIP, co daje moşliwość pełnego sterowania i przesyłania danych do sterownika za pomocą jednego przewodu komunikacyjnego.

Rys. 5. Przepływ danych między bazą danych a systemem spawalniczym Fig. 5. Data flow between the database and welding system

40

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

Arkadiusz Adamczak, Marcin Nowicki

jest nie tylko bardzo wydajny, ale równieş umoşliwia elastyczne przetwarzanie danych. Wykorzystanie wysokopoziomowego języka zapytań SQL (ang. Structured Query Language) w kaşdym z tych aspektów umoşliwia łatwy dostęp do zgromadzonych danych spawalniczych. Dodatkowo faktem przemawiającym za zastosowaniem modelu relacyjnego są specjalistyczne biblioteki umoşliwiające stworzenie interfejsu komunikacyjnego dla języka SQL między sterownikiem PLC (ang. Programmable Logic Controller) a serwerem bazodanowym. Warstwa fizyczna komunikacji między kontrolerem robota wraz z urządzeniami spawalniczymi a serwerem bazodanowym realizowana jest za pomocą sieci Ethernet.

U $ & Podczas realizacji stanowiska załoşono pełną automatyzację procesu przy jak największej minimalizacji ingerencji operatora w maszynę, z wyłączeniem operacji załadunkowych i rozładunkowych. Praca operatora na stanowisku ogranicza się do wyciągnięcia detali gotowych i załadunku elementów przygotowanych do procesu spawania. Algorytm działania dla stanowiska w znaczącym stopniu zwalnia jego operatora z wykonywania czynności, które mogą być zrobione automatycznie. Pierwszym z kroków jest załączenie i inicjalizacja stanowiska, polegająca na resecie bezpieczeństwa, automatycznym ustanowieniu połączeń między komunikującymi się urządzeniami w sieci, ustawieniu stanowiska w pozycję startową oraz potwierdzenie gotowości na panelu dotykowym. Operator z poziomu panelu dotykowego ustawia parametry dla stanowiska. Załadunek następuje ręcznie. Następnie po prawidłowym zamontowaniu detali w przyrządach i wciśnięciu przez operatora przycisku kontynuacji, następuje przejęcie sterowania przez system. Proces przebiega juş wtedy automatycznie. Następuje zamknięcie przyrządów, zamkniecie przesłony, obrót pozycjonera, rozpoczęcie procesu spawania detali w kabinie po stronie robotów oraz ustawienie się osi zewnętrznych po stronie operatora w celu umoşliwienia rozładunku detali juş pospawanych w poprzednim cyklu. Algorytm w normalnym trybie pracy jest wykonywany cyklicznie ze zdefiniowanym uprzednio czasem cyklu. Sytuacje alarmowe, jakie mogą wystąpić na stanowisku są sygnalizowane przez komunikaty świetlne i dźwiękowe oraz tekstowe na panelu HMI. Tym samym operator ma pełen obraz poprawnego przebiegu procesu.

4. Podsumowanie Zaprezentowana w artykule koncepcja stanowiska typu Plug and Produce z pełnym monitorowaniem oraz archiwizowaniem parametrów spawalniczych przy wykorzystaniu nowoczesnych narzędzi informatycznych jest odpowiedzią na rosnące potrzeby krajowego rynku. Cała koncepcja to oryginalny pomysł inşynierów firmy PPU ZAP-ROBOTYKA, którzy przy jego tworzeniu wykorzystali najnowocześniejsze narzędzia informatyczne z zakresu wspomagania projektowania oraz wieloletnie doświadczenie w budowie stanowisk zrobotyzowanych.

Bibliografia 1. Cegielski P., Kolasa A., Sarnowski T., Dostosowanie robotów do spawania elementów o obnişonej dokładności, „Przegląd Spawalnictwa�, R. 83, Nr 6, 2011, 25–28. 2. Cegielski P., Kolasa A., Sarnowski T., Nowe konstrukcje pozycjonerów jako zewnętrznych osi robotów przemysłowych, „Przegląd Spawalnictwa�, R. 88, Nr 1, 2016, 27–32. 3. Cegielski P., Kolasa A, Golański D., Sarnowski T, Oneksiak A., Innowacyjne rozwiązania konstrukcyjne w przemysłowych urządzeniach do automatyzacji procesów spawalniczych. „Przegląd Spawalnictwa�, R. 85, Nr 1, 2013, 30–35. 4. Materiały wewnętrzne 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

•

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, 43–48, 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 oryginalną zasadę budowy układu pomiarowego automatycznego mostka AC (prądu przemiennego) słuşącego do bardzo dokładnych pomiarów temperatury za pomocą wzorcowego platynowego czujnika SPRT. Wykorzystuje się oryginalną metodę pomiaru, którą nazwano tu hybrydową. Obejmuje ona połączenie metody kompensacyjnej do zgrubnego zrównowaşenia układu i metody ilorazowej (ratiometric), którą wyznacza się stosunek dwu wartości sygnału nierównowagi, przed i po znanej jego zmianie. Dzięki tej metodzie układ pomiarowy nie wymaga stosowania obwodu do kompensacji wpływu reaktancji czujnika SPRT. Zmniejsza się teş niezbędna liczba dekad dzielnika indukcyjnego kompensującego zgrubnie sygnał składowej rezystancyjnej czujnika. Układ taki pozwala w prostszy sposób i przy nişszych kosztach wykonania uzyskać tę samą dokładność, co najbardziej precyzyjne termometryczne mostki AC o układach w pełni zrównowaşonych. ) 0 " " " > " E " " @

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

$ ' 0 =" ;% / ) % $ ,6%&+%,&*- % &,%**%,&*- % ! "" # $%&

gania, takie jak duĹźa dokĹ‚adność stosunku rezystancji ramion i w peĹ‚ni skuteczne cztero-zaciskowe doĹ‚Ä…czanie rezystancyjnego czujnika temperatury. Dalsze zwiÄ™kszanie dokĹ‚adnoĹ›ci pomiarĂłw uzyskano po zastosowaniu dwu- i wielostopniowych dzielnikĂłw indukcyjnych [5, 6]. Takie ukĹ‚ady stosuje siÄ™ obecnie w najdokĹ‚adniejszych automatycznych mostkach AC wytwarzanych przez firmy ASL (model F18, F900) i Tinsley (model 5840C) na potrzeby termometrii o najwyĹźszej precyzji. GĹ‚Ăłwnym ich podzespoĹ‚em jest indukcyjny wielostopniowy dzielnik napiÄ™cia IVD (ang. inductive voltage divider). Decyduje on o zĹ‚oĹźonoĹ›ci i caĹ‚kowitym koszcie budowy przyrzÄ…du. Współczesne tendencje metrologicznego doskonalenia pomiarĂłw temperatury wiąşą siÄ™ z opracowywanÄ… obecnie nowÄ… definicjÄ… stopnia Kelvina jako jednostki miary. PeĹ‚ne wdroĹźenie zmiany definiowania jednostki temperatury do praktyki metrologicznej wymaga udoskonalenia techniki pomiarĂłw temperatury termodynamicznej. BÄ™dzie to realizowane rĂłwnolegle do metod pomiaru stosowanych obecnie w odtwarzaniu miÄ™dzynarodowej skali temperatury ITS 90. Ujmuje to szereg wnioskĂłw podanych w dokumencie „Sprawozdanie dla CIPM o konsekwencjach zmiany definicji Kelvina jako jednostki podstawowejâ€? [7] (np. „W dajÄ…cej siÄ™ przewidzieć przyszĹ‚oĹ›ci nadal bÄ™dzie stosowany ITS-90 jako najbardziej dokĹ‚adne i niezawodne przybliĹźenie skali termodynamicznej ... . Podstawowy zakres temperatur wzorcowych –200 °C do +960 °C nadal bÄ™dzie realizowany za pomocÄ… wzorcowych platynowych termometrĂłw rezystancyjnych SPRTâ€?).

43

Hybrydowa metoda pomiaru i jej zastosowanie w wysokoprecyzyjnym temperaturowym mostku AC Ponişej zostanie opisany oryginalny układ mostka AC o łączonej kompensacyjno-ilorazowej metodzie pomiaru rezystancji czujnika SPRT, nazwanej tu hybrydową. Metoda ta umoşliwia uproszczenie struktury układów z dzielnikami indukcyjnymi stosowanych w precyzyjnych termometrycznych mostkach AC. Moşe ona przyczynić się do takiego udoskonalenia pomiarów, şe zmniejszy się konieczność uşycia układów kriogenicznych.

W termometrycznych mostkach AC detektorem równowagi jest zwykle woltomierz wektorowy VV. Zrównowaşone układy pomiarowe tych mostków są dość złoşone i ich wykonanie jest kosztowne. Głównie zaleşy to od złoşoności podstawowego dzielnika indukcyjnego (uzwojenie m1 ma zwykle 6–8 dekad) i od konieczności stosowania dzielnika dodatkowego (uzwojenie m2) oraz precyzyjnego przesuwnika kwadratury fazy QS.

U >

# @ & , &

$+

Metoda hybrydowa jest połączeniem (kombinacją) dwu metod pomiarowych: kompensacyjnej i ilorazowej. Pomiar realizuje się w dwu cyklach. W pierwszym z nich układ mostka równowaşy się zgrubnie za pomocą dzielnika indukcyjnego m1 o ograniczonej rozdzielczości. Ocena w tym cyklu sygnału niezrównowaşenia zawiera tylko kody sterowania przetwornika i wartości wyşszych cyfr wyniku pomiaru. W drugim cyklu, po zwiększeniu czułości układu, mierzy się sygnał nierównowagi i wyznacza się wartości nişszych cyfr znaczących. W obu cyklach wartość tego sygnału wyznacza się za pomocą przetwornika ilorazu (ratiometrycznego). W tym celu za pomocą dzielnika IVD tworzy się określoną wzorcową zmianę (wariację) sygnału nierównowagi mostka w postaci zmiany pozycji dzielnika IVD. Wartość pozostałych cyfr parametru mierzonego wyznacza się ze stosunku wartości sygnału przed i po powstaniu tej zmiany. Wykorzystanie tej wielkości eliminuje wiele błędów wprowadzanych przez elementy układu. Taki sposób prowadzenia pomiarów w mostku, jego twórcy nazywali metodą wariacyjną (ang. variational) [8, 9], a następnie – ekstrapolacyjną metodą równowaşenia mostków termometrycznych [10]. Po raz pierwszy zastosowano ją do korekcji błędu mostków transformatorowych przy pomiarze obiektów o duşej rezystancji i równoległym pojemnościowym schemacie zastępczym [11]. W układzie o hybrydowej metodzie pomiaru moşna wyeliminować dzielnik dodatkowy (uzwojenie m2). Znacznie upraszcza się teş dzielnik główny (uzwojenie m1). Istotnym warunkiem jest dostęp do informacji a priori o fazowej charakterystyce wybieranego do stosowania typu czujnika SPRT, w szczególności o wartości tgjT dla maksymalnej częstotliwości roboczej.

Na rys. 1 przedstawiono schemat funkcjonalny układu stosowanego w mostkach termometrycznych o najwyşszej dokładności. Jest to zrównowaşony układ mostka AC z wielodekadowym dzielnikiem indukcyjnym i wzorcowym czujnikiem temperatury SPRT. Impedancję ZX ºZT tego czujnika przy prądzie przemiennym opisuje się kilkoma równowaşnymi wyraşeniami ZT = Re(ZT) + Im(ZT) = RT + jXT = RT(1 + jtgjT)

(1)

gdzie: ZT ºZX, tgjT – stosunek biernej Im(ZT) i czynnej Re(ZT) składowych impedancji ZT, jT – kąt fazowy.

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

Schematem zastÄ™pczym czujnika SPRT dla maĹ‚ych czÄ™stotliwoĹ›ci jest dwĂłjnik szeregowy RT, XT o charakterze indukcyjnoĹ›ciowym. W ogĂłlnym przypadku obie skĹ‚adowe impedancji ZT zaleşą od czÄ™stotliwoĹ›ci. Wraz ze wzrostem czÄ™stotliwoĹ›ci skĹ‚adowa bierna Im(ZT) moĹźe zmienić siÄ™ z indukcyjnej na pojemnoĹ›ciowÄ…. Pomiary temperatury czujnikiem SPRT w ukĹ‚adach prÄ…du przemiennego AC wymagajÄ… mierzenia wartoĹ›ci jego rezystancji RT jako parametru informujÄ…cego o temperaturze. Aby uzyskać wysokÄ… czuĹ‚ość wymaganÄ… w precyzyjnych pomiarach temperatury, uzwojenie m1 dzielnika indukcyjnego powinno mieć 7–8 dekad. Ponadto do wyeliminowania wpĹ‚ywu skĹ‚adowej biernej Im(ZT) konieczny jest dodatkowy obwĂłd kompensacyjny. W jednych z najdokĹ‚adniejszych na rynku Ĺ›wiatowym mostkach AC o symbolach F18 i F900 rozwiÄ…zano to przez doĹ‚Ä…czenie do punktu A dodatkowego ĹşrĂłdĹ‚a prÄ…du IVar,Q o ang. nazwie Quadrature Servo Range. Jego faza i faza generatora G róşniÄ… siÄ™ dokĹ‚adnie o 90°, a bĹ‚Ä…d nie moĹźe przekroczyć jednostki najniĹźszego rzÄ™du (LSB) dzielnika IVD. ĹšrĂłdĹ‚o IVar,Q jest dość zĹ‚oĹźonym moduĹ‚em. Omawianie wĹ‚aĹ›ciwoĹ›ci metody hybrydowej bÄ™dzie Ĺ‚atwiejsze po przedstawieniu drugiego ukĹ‚adu sĹ‚uşącego do kompensacji skĹ‚adowej kwadraturowej impedancji czujnika SPRT. UkĹ‚ad ten stosuje siÄ™ w uniwersalnych mostkach RLC. Zawiera on wielodekadowy dzielnik napiÄ™cia o regulowanej liczbie zwojĂłw m2 i przesuwnik QS fazy napiÄ™cia o kÄ…t p/2 (współczynnik przetwarzania – j). DoĹ‚Ä…cza siÄ™ go szeregowo w obwodzie porĂłwnania napięć miÄ™dzy punktami B i C.

44

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

3 7 ( Do wykrywania i pomiaru sygnaĹ‚u nierĂłwnowagi ukĹ‚adu mostka AC stosowany jest woltomierz fazoczuĹ‚y VV (rys. 1), nazywany teĹź wektorowym. Jego wskazanie zaleĹźy od prostopadĹ‚ych skĹ‚adowych napiÄ™cia UD. JeĹ›li fazy napięć generatora zasilajÄ…cego i woltomierza VV sÄ… jednakowe, to skĹ‚adowÄ… US (sin) nazywa siÄ™ współfazowÄ…, zaĹ› UQ (cos) – kwadraturowÄ…. ⎛ Z ⎞ U D = U S + jUQ = IRS ⎜ p + jq − T âŽ&#x; ⎜ RS âŽ&#x;⎠âŽ?

(2)

gdzie: p = m1/m0 – parametr początkowy regulowany wg składowej współfazowej sygnału, q = m2/m0 – parametr początkowy regulowany wg składowej kwadraturowej, I – prąd roboczy. W stanie początkowym, tj. przy niezrównowaşeniu układu mostka, parametry regulowane mostka są sumą dwu składników, odpowiadających równowadze i odchyleniu od niej, tj. p = pB + pH,

q = qB + qH

(3)

Przy równowadze układu UD = 0 i z (2) wynika pB + jqB = RT/RS + jXT/RS A

T

Y

K

A

•

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 równości (13b) wynika, şe minimalna liczba bitów (dla zadanej wartości maksymalnej tgj) powinna wynosić N = 12. Potwierdzono to doświadczalnie dla układu mostka z 12-bitowym dzielnikiem napięcia i z woltomierzem wektorowym o 12-bitowym przetworniku ADC. Schemat blokowy tego układu o hybrydowej metodzie pomiaru przedstawiono na rys. 2.

odpowiadające równowadze wartości parametrów pB2 i qB2, rejestruje się tylko w młodszych rejestrach przyrządu. Wynik pomiaru zawiera cyfry wynikające z zsumowania wskazań rejestrów dla obu cyklów. 8. Ostatecznie wynik pomiaru rezystancji RT moşna przedstawić w postaci:

(

)

(

RT = RS ⋅ p − pH 1 − pH 2 = RS ⋅ p − A1pV 1 − A2 pV 2

(

)

(

XT = RS ⋅ q − q H 2 = RS ⋅ q − B2 pV 2

)

)

W pierwszym cyklu sygnał nierównowagi (jako kod 12-bitowy) jest zapisywany w rejestrach dzielnika indukcyjnego i jako wyşsze cyfry – w rejestrach układu obliczeniowego przyrządu. W dru-

(15a)

(15b)

SkĹ‚adowa bierna XT impedancji czujnika SPRT nie zawiera informacji o mierzonej temperaturze. Iloraz XT/RT moĹźna natomiast wykorzystać do kontroli, czy kwadraturowa skĹ‚adowa impedancji ZT nie przekracza poziomu dopuszczalnego. Przy stosowaniu hybrydowej metody pomiaru rozdzielczość dzielnika napiÄ™cia mostka moĹźe być mniejsza od wymaganej rozdzielczoĹ›ci wyniku pomiaru. OkreĹ›la jÄ… tylko liczba najwyĹźszych cyfr tego wyniku. UzupeĹ‚niajÄ… jÄ… wartoĹ›ci mĹ‚odszych cyfr wyznaczanych w drugim cyklu procesu pomiarowego. DziÄ™ki temu upraszcza siÄ™ konstrukcja mostka. ZmniejszajÄ… siÄ™ jego wymiary i masa, a wiÄ™c i koszty wykonania przyrzÄ…du. DuĹźa dokĹ‚adność i liniowość przetwarzania sygnaĹ‚u metodÄ… hybrydowÄ… wynika z kilku czynnikĂłw. a) Stosowania w ukĹ‚adzie wielkoĹ›ci opisanych wektorami ortonormalnymi i przetwarzania ilorazu sygnaĹ‚u nierĂłwnowagi, przed i po jego znanej zmianie, czyli metody wariacyjnej. UniezaleĹźnia to wynik pomiaru (staje siÄ™ inwariantny) od zmian prÄ…du roboczego i zmian fazy w filtrach generatora, wzmacniacza i innych moduĹ‚Ăłw. b)Tworzenie skoku sygnaĹ‚u wyjĹ›ciowego (jego wariacji) poprzez zmianÄ™ liczby zwojĂłw okreĹ›lonej dekady dzielnika indukcyjnego, a wiÄ™c w nawiÄ…zaniu do LSB tego dzielnika. Niepewność stosunku sygnaĹ‚u nierĂłwnowagi ukĹ‚adu i tej jego wariacji zaleĹźy od dokĹ‚adnoĹ›ci stosunku zwojĂłw (przekĹ‚adni dzielnika) i moĹźe być niĹźsza od 0,1 ppm. c) Transformatorowy dzielnik napiÄ™cia o Ĺ›cisĹ‚ym sprzęşeniu indukcyjnym ma potencjalnie wysokÄ… liniowość. Na przykĹ‚ad dla rozdzielczoĹ›ci dzielnika o 4 dekadach, liniowość bywa lepsza niĹź 0,1 ppm (7 dekad). NaleĹźy teĹź podać dwie wady metody hybrydowej: − Po pierwsze, wariacyjny sposĂłb rĂłwnowaĹźenia ukĹ‚adu wymaga dwĂłch pomiarĂłw: przed i po okreĹ›lonej zmianie sygnaĹ‚u nierĂłwnowagi. Wskutek tego RMS szumu o rozkĹ‚adzie Gaussa, wzroĹ›nie √2 razy. PrzeciwdziaĹ‚a siÄ™ temu zwiÄ™kszajÄ…c prĂłbkÄ™ pobieranÄ… do uĹ›rednienia. − Po drugie, przy niepeĹ‚nym zrĂłwnowaĹźeniu ukĹ‚adu, wpĹ‚ywy rezystancji przewodĂłw doprowadzajÄ…cych nie ulegajÄ… caĹ‚kowitej eliminacji.

Rys. 2. Układ mostka AC o hybrydowej, tj. połączonej kompensacyjnoilorazowej metodzie pomiaru i wyniku o 24-bitowej liczbie cyfr binarnych: G – generator sinusoidalny AC, CIT – transformator dopasowujący, A – wzmacniacz, SD – podwójny (Re/Im) detektor synchroniczny, Int – podwójny (Re/Im) integrator, ADC – przetwornik analogowo-cyfrowy, SW – przełącznik, T – generator impulsów 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 – AC sinusoidal generator, TIC – matching transformer, A – amplifier, SD – two-channel (Re/Im) synchronous detector, Int – two-channel (Re/Im) integrator, ADC – analogue-digital converter, SW – switch, T – timing unit

gim cyklu sygnał nierównowagi zapisuje się tylko w rejestrach tego układu jako bity nişszych rzędów. Obliczenia niezbędne dla układu pomiarowego mostka wykonuje mikroprocesor ze wspólnym rejestrem danych o 24-bitowym formacie numerycznym i wynik pomiaru prezentuje na wyświetlaczu. Omawiany przyrząd odpowiada mostkowi zrównowaşonemu AC z dzielnikiem indukcyjnym o siedmiu dekadach. Podzespół z indukcyjnym dzielnikiem napięcia o rozdzielczości 12 bitów (transformator m1) do zgrubnego równowaşenia mostka pokazano na rys. 3. Układ ten zawiera dwa dwustopniowe transformatory T1 i T2. Wagowe współczynniki przetwarzania uzwojeń w1 i w2 mają stosunek 1/8. Kaşde z uzwojeń m11 – m14 przełączane jest przez system elektronicznych kluczy i realizuje dzielnik napięcia o 3-bitowej rozdzielczości. Transformator T2 ma współczynnik transformacji 1/64. Dlatego na wyjściu uzwojenia m14 generuje się 12-bitowe napięcie całkowite. Transformatory T1 i T2 są wykonane na rdzeniach toroidalnych w wymiarze 40 mm × 25 mm × 11 mm. Materiałem rdzeni jest amorficzny stop şelazo-kobalt o przenikalności magnetycznej m = (1–2)⋅105. Dla częstotliwości roboczej 125 Hz nieliniowość tego dzielnika jest ponişej 0,2 ppm.

[ ( MoĹźliwość osiÄ…gniÄ™cia przewidywanych wĹ‚aĹ›ciwoĹ›ci metrologicznych ukĹ‚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™ ekwipotencjalnÄ… ukĹ‚adu [12, 13], sprawdzanie zera [14, 16] i pomiar liniowoĹ›ci [15]. Z badaĹ„ doĹ›wiadczalnych wynikĹ‚o, Ĺźe czujniki SPRT o nominalnej impedancji 0,6 Ί do 25 Ί, przy czÄ™stotliwoĹ›ci 100 Hz, majÄ… tangens kÄ…ta fazowego nie wiÄ™kszy niĹź 0,0003. Najkorzystniejsze wĹ‚aĹ›ciwoĹ›ci mostka o hybrydowej metodzie dziaĹ‚ania uzyskano stosujÄ…c indukcyjny dzielnik binarny. Z nie-

46

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

Rys. 3. Binarny 12-bitowy dzielnik napięcia indukcyjnego Fig. 3. Binary 12-bit inductive voltage divider IVD

A

T

Y

K

A

•

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]

Metodę hybrydową zastosowano w zbudowanym w Instytucie Elektrodynamiki Ukraińskiej Akademii Nauk w Kijowie automatycznym mostku CA300 (rys. 4) z 12-bitowym przetwornikiem ADC. W mostku tym uzyskano następujące podstawowe parametry techniczne; najmłodsza jednostka LSD odniesiona do pełnego zakresu – 0,06 ppm, liniowość – 0,2 ppm, RMS szumu w paśmie 0,05 Hz – 0,08 ppm. Są to takie same parametry jak dla modelu F18 firmy ASL. Wymiary mostka nie przekraczają 290 mm × 120 mm × 320 mm, a masa jest ponişej 6 kg. Poziom RMS wykazuje rezerwę dla dopuszczalnej wartości stosunku sygnał/zakłócenie i istnieje moşliwość zwiększenia rozdzielczości o kolejną dekadę. Przy uşyciu 16-bitowego przetwornika ADC oraz podobnej masie i tych samych wymiarach przyrządu, moşna otrzymać 8-dekadowy mostek AC.

6. Wnioski Omówiona hybrydowa metoda pomiaru składowej rezystancyjnej impedancji wykorzystuje łącznie dzielnik indukcyjny IVD do zgrubnego zrównowaşenia układu mostka AC oraz pomiar ilorazu sygnału nierównowagi i określonej jego wariacji. Jest to procedura znacznie prostsza niş pełne równowaşenie układu za pomocą wielodekadowego dzielnika indukcyjnego. Metoda ta jest rozwinięciem przy prądzie AC idei układu kompensacyjno-odchyłowego DC stosowanego przez Z. Warszę w teslomierzach hallotronowych i mostkach temperaturowych w latach 1960-70. Dostępna a priori informacja o bardzo małej wartości tangensa kąta fazowego impedancji wzorcowego platynowego czujnika temperatury SPRT pozwala uprościć układ pomiarowy termometrycznego mostka AC. Mostek ten przekształca się z przetwornika wektorowego na skalarny i jego równowaşenie ogranicza się jedynie do regulacji dla pomiaru rezystancyjnej składowej impedancji czujnika SPRT jako parametru informacyjnego. Metoda hybrydowa umoşliwia teş zastosowanie w pomiarowych transformatorowych mostkach AC dzielnika indukcyjnego o mniejszej rozdzielczości niş jest wymagana dla wyniku pomiaru. Tę wysoką rozdzielczość i dokładność uzyskuje się przez dokładny pomiar ilorazu sygnału nierównowagi mostka i określonej jego zmiany. Sposób ten został przez jej twórców nazwany metodą wariometryczną równowaşenia mostka [8, 9]. Zapewnia ona inwariantność wyniku na zmiany fazy w generatorze, wzmacniaczu i innych modułach mostka. Zastosowanie metody hybrydowej do pomiaru impedancji w precyzyjnych mostkach termometrycznych znacząco zmniejsza koszty ich wykonania. Uzyskano taką samą liniowość i czułość jak zrównowaşonych mostków AC o 7–8 dekadowych dzielnikach indukcyjnych. Metodę hybrydową moşna teş będzie wykorzystać w mostkach kriogenicznych, ale trzeba eksperymentalne zbadać jej moşliwości i ograniczenia oraz dokonać niezbędnych udoskonaleń.

1. Preston-Thomas H., The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90), “Metrologiaâ€?, Vol. 27, No. 107, 1990, 3–10. 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, 453–458, DOI: 10.1049/piee.1963.0068. 3. Gibbings D.L., An alternating current analogue of the Kelvin double bridge, Proceedings of the IEE – Part C: Monographs, Vol. 109, No. 16, 1962, 307–316, 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, 1693–1700, DOI: 10.1049/piee.1963.0240. 5. Cutkosky R., An automatic resistance thermometer bridge. “IEEE Transactions on Instrumentation and Measurementâ€?, Vol. 29, No. 4, 1980, 330–333, 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, 132–134. 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 125–925 Hz frequency range. Tekhnichna Elektrodynamika. Thematic issue “Problems of modern electrotechnicsâ€?, 3, 76–78 (2000) (Rus.) 10. Surdu M., Lameko A., Surdu D., Kursin S., An automatic bridge for the comparison of the impedance standards, “Measurementâ€?, Vol. 46, No. 9, 2013, 3701–3707, 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, “Measurement Techniquesâ€?, Vol. 56, No. 9, 2013, 1054–1060, DOI: 10.1007/s11018-013-0329-4. 12. Mikhal A.A., Meleshchuk D.V., Warsza Z.L., Zastosowanie podwĂłjnego ekranowania w termometrycznych mostkach AC. „Pomiary Automatyka Kontrolaâ€?, Nr 11, 2014, 938–941. 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, 147–156, DOI:10.1007/978-3-319-15835-8_17. 14. Mikhal A.A., Warsza Z.L., Proste metody sprawdzania dokĹ‚adnoĹ›ci precyzyjnych mostkĂłw termometrycznych (1) Rys historyczny, zasada dziaĹ‚ania i parametry mostkĂłw, niekonwencjonalna metoda kontroli zera. „Pomiary Automatyka Robotykaâ€?, Nr 9, 2013, 92–96. 15. Mikhal A.A., Warsza Z.L., Proste metody sprawdzania dokĹ‚adnoĹ›ci precyzyjnych mostkĂłw termometrycznych (2) Pomiary nieliniowoĹ›ci caĹ‚kowitej metodÄ… dychotomii, „Pomiary Automatyka Robotykaâ€?, Nr 10, 2013, 130–137. 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, 157–170. 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

•

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, 49–56 DOI: 10.14313/PAR_227/49

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

Serhii Zabolotnii < = # ! #

Streszczenie: Przedstawiono sposób wyznaczania estymatorów wartości i niepewności menzurandu niekonwencjonalną metodą maksymalizacji wielomianu stochastycznego (PMM) dla próbki danych pomiarowych pobranych z populacji modelowanej zmienną losową o rozkładzie niesymetrycznym. W metodzie PMM stosuje się statystykę wyşszego rzędu i opis z uşyciem momentów lub kumulantów. Wyznaczono wyraşenia analityczne dla estymatorów wartości i niepewności standardowej typu A menzurandu za pomocą wielomianu stopnia r = 2. Niepewność standardowa wartości menzurandu otrzymana metodą PPM zaleşy od skośności i kurtozy rozkładu. Jest ona mniejsza od średniej arytmetycznej wyznaczanej wg przewodnika GUM i blişsza wartości teoretycznej dla rozkładu populacji danych. Jeśli rozkład ten jest nieznany, to estymatory momentów i kumulantów wyznacza się z danych pomiarowych próbki. Sprawdzono skuteczność metody PMM dla kilku podstawowych rozkładów. ) 0 " " " D D

1. Wprowadzenie Proces wyznaczania rezultatu pomiarów obejmuje statystyczne szacowanie wartości i rozszerzonej niepewności menzurandu. Ocenia się je na podstawie próbki zawierającej dane obserwacji pomiarowych pobrane z ich populacji o losowym rozrzucie wartości. Rozrzut ten moşna modelować określonym rozkładem prawdopodobieństwa. W większości stosuje się jednomodalne rozkłady symetryczne, w tym głównie rozkład normalny (Gaussa) oraz rozkłady: równomierny, trójkątny, trapezowe, Laplace i inne [1]. W przewodniku GUM [2], traktowanym jak norma międzynarodowa, zaleca się by rozrzut danych pomiarowych opisywać niepewnością typu A wyniku pomiaru i szacować ją identycznie, jak dla rozkładu normalnego. Sposób ten jest jednak niepoprawny przy konieczności modelowania rozrzutu danych pomiarowych rozkładami niegaussowskimi. Z identyfikacji i analizy danych pomiarowych występujących

$ ' 0 =" ;% / ) % $ ,6%&+%,&*- % &,%**%,&*- % ! "" # $%&

w praktyce pomiarowej wynika, şe w niektórych przypadkach trzeba teş stosować rozkłady niesymetryczne wskutek występowania asymetrycznych błędów przypadkowych [3–6]. Powstają one przy nieliniowym równaniu pomiaru, skorelowaniu torów pomiarowych oraz istnieniu zarówno stałych jak i zmieniających się deterministycznie w trakcie pomiarów niezidentyfikowanych, a więc i nieusuniętych błędów systematycznych. Jedną z ostatnio proponowanych zmian w zaleceniach GUM jest stosowanie podejścia Bayesa [7, 8] wraz z metodą największej wiarygodności. Do prawidłowego doboru metody pomiaru oraz obliczenia niepewności pomiarów niezbędna jest wstępna identyfikacja i przyblişenie rozrzutu danych odpowiednim dla danego zadania pomiarowego rozkładem prawdopodobieństwa [9]. Realizuje się to zarówno metodami analitycznymi [10], jak i przy pomocy modelowania statystycznego metodą Monte Carlo [2, Supl. 1], [15]. Podejście Bayesa wymaga jednak informacji a priori o funkcji rozkładu danych pomiarowych. Cechuje je takşe potencjalnie wysoki stopień złoşoności przy analizie parametrów. W pracy [11] i w monografii [24 rozdz. 9] przedstawiono podejście alternatywne, które nie wymaga identyfikacji rozkładu. Polegała ona na rozmnoşeniu danych próbki pomiarowej metodą bootstrap i sprawdzeniu, który ze zbioru jedno- i kilkuelementowych estymatorów ma dla tych danych najmniejszą wariancję. Ponişej omawia się inne podejście alternatywne o nazwie Metoda Maksymalizacji Wielomianu i akronimie PMM utworzonym od angielskiej wersji tej nazwy. Metodę tę zaproponował Kunchenko [15, 16]. Umoşliwia ona tworzenie modeli

49

C ! ! ! ! ! X% Y − wĹ‚a addytywnoĹ›ci, tj. kumulant i-tego rzÄ™du dla sumy niezaleĹźnych statystycznie zmiennych losowych jest sumÄ… kumulantĂłw wszystkich skĹ‚adowych tego rzÄ™du. PrzykĹ‚adem zastosowania tego opisu wĹ‚aĹ›ciwoĹ›ci zmiennej losowej w metrologii jest zaproponowana w [12] metoda kurtozy do wyznaczania bĹ‚Ä™du pomiaru sumy zmiennych losowych o róşnych rozkĹ‚adach. Jednak zakres stosowania algorytmu tej metody ogranicza siÄ™ do skĹ‚adowych losowych opisywanych symetrycznymi rozkĹ‚adami PDF (funkcja gÄ™stoĹ›ci prawdopodobieĹ„stwa), a jej analityczno-graficzny sposĂłb realizacji jest trudny do automatyzacji. W pracy [13], za pomocÄ… kumulantĂłw wykonano analizÄ™ modeli ukĹ‚adĂłw pomiarowych z addytywnymi i multiplikatywnymi bĹ‚Ä™dami przypadkowymi w torach przetwarzania sygnaĹ‚Ăłw. ZaĹ› w [14] zbadano szczegółowo rolÄ™ współczynnika kumulanta rzÄ™du 4 (kurtozy) jako istotnego parametru rozkĹ‚adĂłw symetrycznych. ZaleĹźnoĹ›ci pierwszych czterech kumulantĂłw prĂłbki od jej momentĂłw poczÄ…tkowych oraz podstawowe operacje na kumulantach podano w tabeli 1. Wzory dla k2 i nastÄ™pnych upraszczajÄ… siÄ™ jeĹ›li a1 = 0, czyli gdy wyraĹźa siÄ™ je przez momenty centralne prĂłbki.

opartych na statystyce wyĹźszego rzÄ™du dla róşnych funkcji zmiennych losowych. Wzory stajÄ… siÄ™ prostsze, gdy w opisie uĹźywa siÄ™ kumulantĂłw, ktĂłre Ĺ‚atwo wyznacza siÄ™ numerycznie za poĹ›rednictwem momentĂłw. MetodÄ™ PMM moĹźna stosować jako narzÄ™dzie matematyczne do przetwarzania danych statystycznych w takich dziedzinach jak: rozpoznawanie obrazĂłw funkcji [17], identyfikacja punktu wystÄ…pienia zmian statystycznych parametrĂłw sygnaĹ‚u (ang. change point) [18, 19], wykrywanie i estymacja parametrĂłw sygnaĹ‚Ăłw na tle niegaussowskich zakĹ‚ĂłceĹ„ [20] oraz wielu innych. Autorzy badajÄ… moĹźliwoĹ›ci zastosowania metody PMM w metrologii i technice pomiarowej, w tym do wyznaczania ocen wartoĹ›ci i niepewnoĹ›ci pomiarĂłw. Badania te wykazaĹ‚y juĹź, Ĺźe metoda ta (w poĹ‚Ä…czeniu z opracowaniem modeli probabilistycznych opartych na statystyce wyĹźszych rzÄ™dĂłw i ich opisem przez momenty i kumulanty) ma szereg zalet. Upraszcza siÄ™ proces syntezy i moĹźna rĂłwnoczeĹ›nie uwzglÄ™dnić probabilistyczne wĹ‚aĹ›ciwoĹ›ci kilku parametrĂłw. Poprawia siÄ™ szacowanie dokĹ‚adnoĹ›ci pomiarĂłw, gdyĹź wariancje estymowanych parametrĂłw sÄ… wĂłwczas mniejsze. Mniejsze teĹź jest prawdopodobieĹ„stwo bĹ‚Ä™dnych decyzji. Opis róşnych rozkĹ‚adĂłw prawdopodobieĹ„stwa przez kumulanty wykorzystuje siÄ™ dotÄ…d bardzo rzadko w praktyce pomiarowej. Jest on mniej znany niĹź z uĹźyciem momentĂłw rozkĹ‚adu, mimo Ĺźe wzory uĹźywane w analizie zmiennych losowych sÄ… prostsze. Na przykĹ‚ad rozkĹ‚ad normalny ma nieskoĹ„czenie wiele momentĂłw parzystych, zaĹ› wszystkie jego kumulanty rzÄ™du r > 2 sÄ… rĂłwne zeru. OmĂłwimy krĂłtko podstawowe wĹ‚aĹ›ciwoĹ›ci kumulantĂłw. Kumulanty sÄ… współczynnikami rozwiniÄ™cia w szereg Taylora-MacLaurina logarytmu charakterystycznej funkcji fΞ(u) zmiennej losowej Ξ [21]. OpisujÄ… to wzory:

⎥d r ln fΞ (u ) ⎤ 1 ⎼ , fΞ (u ) = r 2Ď€ ⎢⎣ du ⎼⎌ u =0

Îş r = j −r ⎢

# + E 7 Zastosowanie metody maksymalizacji wielomianu stochastycznego PMM jako niekonwencjonalnego narzÄ™dzia matematycznego do wyznaczania parametrĂłw wyniku pomiarĂłw wielokrotnych o wartoĹ›ciach danych pobranych losowo z rozkĹ‚adu symetrycznego autorzy omĂłwili w [23]. PoniĹźej przedstawi siÄ™ zastosowanie metody PMM dla prĂłbek danych pomiarowych z rozkĹ‚adĂłw asymetrycznych. Celem tej pracy jest: − zastosowanie metody maksymalizacji wielomianu (o angielskim akronimie PMM) do syntezy algorytmĂłw estymacji parametrĂłw menzurandu dla modeli rozkĹ‚adu bĹ‚Ä™dĂłw asymetrycznych opisanych kumulantami, − analiza teoretyczna dokĹ‚adnoĹ›ci estymatorĂłw parametrĂłw wielomianu, − zbadanie skutecznoĹ›ci powyĹźszych algorytmĂłw modelowania statystycznego. Rozpatrywać bÄ™dziemy pomiary staĹ‚ej wartoĹ›ci oczekiwanej q pojedynczej wielkoĹ›ci mierzonej jako szczegĂłlny przypadek instrumentalnego badania menzurandu. Wynik pomiaru wyznacza siÄ™ na podstawie szeregu powtĂłrzonych obserwacji pomiarowych tej wielkoĹ›ci, lub zaleĹźnego od niej sygnaĹ‚u x. Wskutek wielu róşnych oddziaĹ‚ywaĹ„ zewnÄ™trznych i wewnÄ™trznych oraz niedoskonaĹ‚oĹ›ci instrumentarium (przyrzÄ…dy, system pomiarowy) wartoĹ›ci pozyskanych obserwacji, czyli surowe dane pomiarowe podlegajÄ… rozrzutowi. SÄ… one obarczone wystÄ™powaniem niepoşądanych skĹ‚adowych, tj. bĹ‚Ä™dami pomiarowymi o charakterze zdeterminowanym (bĹ‚Ä™dy systematyczne o wartoĹ›ciach: staĹ‚ych i zmiennych, dryft oraz zakĹ‚Ăłcenia oscylacyjne) oraz losowym

∞

âˆŤ pΞ (x ) e

jux

dx

−∞

gdzie: kr – kumulant rzÄ™du r, pΞ(x) – funkcja gÄ™stoĹ›ci prawdopodobieĹ„stwa (PDF). W analizie statystycznej uĹźywa siÄ™ teĹź bezwymiarowych współczynnikĂłw kumulantĂłw Îł r = Îş r Îş 2−r /2 . Najbardziej znane sÄ…: współczynnik kumulanta asymetrii g3 oraz współczynnik kumulanta kurtozy g4. Zalety uĹźycia kumulantĂłw [21] sÄ… nastÄ™pujÄ…ce: − sÄ… to odrÄ™bne parametry statystyczne rozkĹ‚adĂłw zmiennej losowej, alternatywne do momentĂłw i w pewnym stopniu niezaleĹźne od siebie; − kumulanty wyznacza siÄ™ bardzo prosto z momentĂłw prĂłbki (tabela 1 kolumna lewa); − pewnÄ… liczbÄ… kumulantĂłw wyĹźszego rzÄ™du (lub ich współczynnikami) moĹźna scharakteryzować w prosty sposĂłb stopieĹ„ niegaussowoĹ›ci zmiennej losowej; − bardzo waĹźnÄ… wĹ‚aĹ›ciwoĹ›ciÄ… kumulantĂłw jest ich niezaleĹźność (inwariantność) na przesuniÄ™cie argumentu i zmiany skali zmiennych losowych (tab.1 kolumna prawa),

Tabela 1. Wzory łączące kumulanty i momenty początkowe oraz podstawowe właściwości kumulantów Table 1. Patterns connecting cumulants and initial moments and basic properties of cumulants

Wyznaczanie kumulantĂłw z momentĂłw poczÄ…tkowych

Podstawowe właściwości kumulantów

równowaşność inwariantność jednorodność addytywność

50

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

Zygmunt Lech Warsza, Serhii Zabolotnii (bĹ‚Ä™dy przypadkowe, outliery). Surowe dane naleĹźy oczyĹ›cić z bĹ‚Ä™dĂłw systematycznych o wartoĹ›ciach znanych a priori, lub wykrytych w procesie pomiarowym [24 rozdz.2]. Dane pomiarowe koryguje siÄ™ poprzez poprawki, a wpĹ‚ywy o nieznanych wartoĹ›ciach, ale o przewidywanych zakresach ich zmian, randomizuje i opisuje siÄ™ niepewnoĹ›ciÄ… typu B [2]. Ze skorygowanych eksperymentalnych danych prĂłbki, jako wynik pomiarĂłw wyznacza siÄ™ metodami statystycznymi estymator wartoĹ›ci menzurandu θˆ oraz rozkĹ‚ad niepewnoĹ›ci typu A i jej wartość standardowÄ… uA. Niepewność rozszerzonÄ… U, czyli przedziaĹ‚, w ktĂłrym moĹźe znajdować siÄ™ wynik pomiarĂłw z okreĹ›lonym prawdopodobieĹ„stwem P, otrzymuje siÄ™ bÄ…dĹş ze splotu rozkĹ‚adĂłw niepewnoĹ›ci typu A i B wyznaczony metodÄ… Monte Carlo (MC) [2 Supl.1], bÄ…dĹş z geometrycznej sumy ich niepewnoĹ›ci standardowych

U = k P u A2 + u B2

Układ równań (2) rozwiązuje się analitycznie metodą Kramera:

gdzie: Dr = ‖Fi,j‖; ( i , j = 1,r ) – wyznacznik gĹ‚Ăłwny ukĹ‚adu rĂłwnaĹ„ (2) o wymiarze r, Dir – wyznacznik otrzymany z Dr po zastÄ…pieniu i-tej kolumny przez kolumnÄ™ wyrazĂłw wolnych ukĹ‚adu rĂłwnaĹ„ (2). Dr = ‖Fi,j‖; W pracach [15, 16] Kunczenko wykazaĹ‚, Ĺźe oceny wielomianowe θˆ bÄ™dÄ…ce rozwiÄ…zaniami ukĹ‚adu rĂłwnaĹ„ stochastycznych o postaci (1) sÄ… spĂłjne i asymptotycznie nieobciÄ…Ĺźone. Do wyznaczenia ocen niepewnoĹ›ci pomiaru trzeba okreĹ›lić ilość wydobytej informacji o szacowanej wielkoĹ›ci q, opisanej ogĂłlnie rĂłwnaniem

kP – współczynnik rozszerzenia zaleşny od rozkładu splotu i P. Dalszy tekst dotyczy zastosowania statystycznej metody wielomianowej PMM do wyznaczania wartości i niepewności wyniku pomiarów. Zbiór uzyskanych i skorygowanych przez poprawki wartości obserwacji pomiarowych stanowi próbkę danych z = {z1 , z2 ,...zn } pobranych z populacji generalnej jako zbioru wszystkich moşliwych ich wartości. Populacja ta składa się z niezaleşnych i jednolicie rozproszonych losowo elementów opisanych modelem x = q + h. W pomiarach q = const jest wartością mierzoną, a h – dowolnie rozłoşoną, w tym i asymetrycznie, zmienną losową opisującą właściwości probabilistyczne przypadkowych błędów pomiaru w postaci rozkładu prawdopodobieństwa, bądź przez sekwencję kumulantów i ich współczynników. W takim modelu matematycznym kumulant populacji pierwszego rzędu k1 jest wartością mierzoną wraz z przesunięciem o niewyeliminowany błąd systematyczny, kumulant drugiej rzędu k2 określa wariancję składowej losowej, a współczynniki kumulantów wyşszych rzędów g3, g4, ... opisują stopień odchylenia danego rozkładu od rozkładu Gaussa. Natomiast za pomocą kumulantów obliczonych ze skorygowanych danych pomiarowych próbki wyznacza się wynik pomiaru jako estymator wartości mierzonej q oraz jego niepewność typu A.

U 3 (PMM)

∑ hi (θ ) [ιˆ i − Îą i (θ )] i =1

=0

(1)

1 n

n

∑x

i v

– i-tego rzędu momenty począt-

v =1

kowe: teoretyczny, tj. dla populacji oraz dla próbki o n danych pomiarowych. Współczynniki hi(q) dla i = 1, r są rozwiązaniami układu algebraicznych równań liniowych rzędu r dla warunków minimalizacji wariancji estymatora q, tj.: r

∑ hi (θ ) Fi , j (θ ) = i =1

d ι j (θ ) , dθ

gdzie: Fi,j(q) = ai+j(q) – ai(q)aj(q)

Ďƒ (2θ ) r = limJ r−,1n (θ ) . n →∞

(4)

% WyraĹźenia analityczne stanÄ… siÄ™ prostsze po dokonaniu standaryzacji danych oryginalnej prĂłbki pomiarowej, tj.:

xv ≥ (zv − Îş1 ) Îş 2

, dla v = 1, n

(5)

Otrzymuje siÄ™ unormowanÄ… prĂłbkÄ™ x = {x1 , x 2 ,...x n } . Jest ona zbiorem znormalizowanych danych pomiarowych o wartoĹ›ci oczekiwanej takiej, jak estymator wartoĹ›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, wartość estymatora θˆ wielkoĹ›ci q jest rozwiÄ…zaniem rĂłwnania: (6)

Z postaci wyraşenia (6) wynika, şe przy dowolnej wartości czynnika h1(q) ≠0 moşna je przekształcić w statystykę liniową. Estymator parametru q jest wówczas średnią arytmetyczną:

θˆ(1) =

1 n

n

∑x

v

(6a)

v =1

θ =θˆ

gdzie: r – jest stopniem wielomianu uşytego do estymacji parametrów, ai(q), ιˆ i =

(3)

Sens statystyczny funkcji Jr,n(q) jest taki sam, jak w klasycznej koncepcji Fischera o iloĹ›ci informacji. JeĹźeli n → ∞, to jej odwrotność dÄ…Ĺźy do wariancji estymatora q, tj.:

h1 (θ ) [ιˆ 1 − θ ] θ =θˆ = 0 ,

Według metody PMM podanej przez Kunchenkę [15], oszacowania czyli estymatory parametrów statystycznych wielkości mierzonej q wyznacza się rozwiązując równanie stochastyczne [23, 24 rozdz.10] r

,

j = 1, s

(2)

o postaci (6a) jest teş oszacowaniem wartości Estymator oczekiwanej zmiennej losowej wyznaczanym klasyczną metodą momentów (MM). Estymator o postaci (6a) ma najmniejszą wariancję dla danych pomiarowych próbki tylko wtedy, gdy zmienna losowa ma rozkład Gaussa i ponadto jej pobrane losowo wartości x = {x1 , x2 ,...xn } nie są skorelowane [1, 24 rozdz. 3]. Jeśli rozkład danych pomiarowych jest inny niş normalny, to do wyznaczenia estymatorów o niepewności mniejszej niş dla wartości średniej naleşy stosować metody alternatywne. Naleşy teş do nich niekonwencjonalny sposób szacowania estymatorów nieliniowych metodą PMM, która wykorzystuje optymalizację wielomianów stochastycznych. Według metody PMM z wielomianem stopnia r = 2 (i przy unormowaniu danych próbki) estymatorem parametru q jest rozwiązanie równania:

51

C ! ! ! ! ! X% Y

[

)]

(

h1 (θ )[ιˆ 1 − θ ] + h2 (θ ) ιˆ 2 − θ 2 + 1

θ =θˆ

(12)

=0

(7)

gdzie: h1(q) i h2(q) – współczynniki optymalne.

odchyleń od estymatora Jest to stosunek wariancji parametru q, wyznaczonego metodą PMM(r) oraz wariancji opisanego wzorem (6a) odchyleń od estymatora liniowego i szacowanego metodą PMM(1) z wielomianem stopnia r = 1 (czyli tak samo, jak metodą momentów MM). o postaci (6a) jest nieobciąşony (o warEstymator liniowy tości początkowej równej zeru) i zgodny [1]. Jego wariancja nie zaleşy od wartości szacowanego parametru, ale wyłącznie od wariancji składowej losowej danych pomiarowych (kumulant drugiego rzędu k2 = m2) i od ich liczby n w próbce:

Współczynniki h1(q) i h2(q) dla r = 2 minimalizują wartość poszukiwanego estymatora parametru q. Znajduje się je rozwiązując układ dwóch równań liniowych o postaci (2) h1(q) + h2(q)[2q + g3] = 1 h1(q)[2q + g3] + h2(q)[4q 2 + 4qg3 + (2 + g4)] = 2q Otrzymuje się wyraşenia:

( )

h1 θ = 1 +

( )

h2 θ = −

2 θ Îł 3 + Îł 32 2 − Îł 32 + Îł 4

(13) ,

(8a)

Îł3

Z wyraşenia (8) opisującego optymalne współczynniki metody PMM oraz w oparciu o wzór ogólny (3) moşna otrzymać ilość informacji o estymatorach parametru q, którą uzyskuje się z próbki o wielkości n za pomocą wielomianów stochastycznych stopnia r = 2:

(8b)

2 − Îł 32 + Îł 4

Po wstawieniu tych współczynników do (1), równanie słuşące do oszacowania parametru q przyjmuje postać:

Îł 3θ 2 − ⎥⎣2Îł 3ιˆ1 − ( 2 + Îł 4 ) ⎤⎌ θ − ( 2 + Îł 4 ) ιˆ1 + Îł 3 ⎥⎣ιˆ2 − 1⎤⎌

θ =θˆ

J 2n (θ ) =

= 0 (9) Asymptota wariancji Ďƒ (2θ )2 jest odwrotnoĹ›ciÄ… J2n(θ), tj.

Z analizy wyraşenia (9) wynika, şe dla rozkładu symetrycznego (g3 = 0), to kwadratowe równanie przekształca się w liniowe o jednym tylko rozwiązaniu, takim samym jak dla równania (6). Jeśli g3 ≠0, to równanie (9) ma dwa pierwiastki:

θˆ

( 2) 1,2

= ιˆ1 −

2 + Îł4 2Îł 3

⎛ 2 + Îł4 ⎞ 2 Âą 1 − ⎥ιˆ2 − ιˆ1 ⎤ + ⎜ ⎢⎣ ⎼⎌ ⎜ 2Îł âŽ&#x;âŽ&#x; 3 ⎠âŽ?

( )

2 + Îł4 n , Îş 2 2 − Îł 32 + Îł 4

Ďƒ (2θ ) 2 =

κ2 ⎛

Îł 32 ⎞ ⎜1 − âŽ&#x; n ⎜âŽ? 2 + Îł 4 âŽ&#x;âŽ

(14)

Współczynnik zmniejszenia wariancji wyniesie wówczas

2

(10)

g (θ )2 = 1 −

Przy stosowaniu metody wielomianowej PMM, jeĹ›li istnieje kilka moĹźliwych rozwiÄ…zaĹ„ rĂłwnania (6), to naleĹźy wybrać pierwiastek bÄ™dÄ…cy liczbÄ… rzeczywistÄ…. WedĹ‚ug wzoru (3) pozyska siÄ™ wĂłwczas maksymalnÄ… ilość informacji Jrn(q) i najmniejszÄ… wartość wariancji. W przedstawianych tu badaniach dotyczÄ…cych zastosowania metody PPM w analizie pomiarĂłw, zasadÄ™ wyboru pierwiastka rĂłwnania (10) jako optymalnego estymatora parametru q okreĹ›la punkt zmiany znaku współczynnika asymetrii, tj. dla g3 = 0. Tak wiÄ™c oszacowaniem parametru q, wyznaczonym za pomocÄ… wielomianu stopnia r = 2, jest estymator θˆ (2 )

θˆ(2) = θˆ(1) + δ (2) ,

Îł 32 2 +Îł4

(15)

Jest on funkcjÄ… współczynnikĂłw g3 i g4 kumulantĂłw skoĹ›noĹ›ci i kurtozy i nie zaleĹźy od liczby n danych prĂłbki. Współczynniki kumulantĂłw wyĹźszych rzÄ™dĂłw nie mogÄ… przyjmować wartoĹ›ci dowolnych i ich granice sÄ… ze sobÄ… powiÄ…zane [15]. PrzykĹ‚adem jest powiÄ…zanie granic wartoĹ›ci współczynnikĂłw kumulantĂłw g3 i g4. Z analizy wzoru (15) wynika, Ĺźe bezwymiarowy współczynnik redukcji (zmniejszania) wariancji g(θ)2 ma zakres (0; 1], zaĹ› dopuszczalne wartoĹ›ci współczynnikĂłw kumulantĂłw ogranicza nierĂłwność Îł 4 + 2 ≼ Îł 32 .

(11)

o współczynniku korekcyjnym δ (2 ) w postaci rozwiniÄ™tej

⎥ ⎛ 2 +Îł4 ⎜1 δ (2 ) = − + sign(Îł 3 )⎢1 − ⎜ ⎢ 2Îł 3 ⎜n ⎣⎢ âŽ?

n

∑x

2 v

v =1

⎛1 −⎜ ⎜n �

1 2⎤2

2⎞

n

⎞ âŽ&#x; ⎛ 2 + Îł4 ⎞ ⎼ âŽ&#x; 2Îł 3 âŽ&#x;⎠⎼ ⎼⎌ âŽ

∑ x âŽ&#x;âŽ&#x;⎠âŽ&#x;âŽ&#x; + ⎜⎜âŽ? v

v =1

(11a)

[ $ % 7 Rys. 1. Zaleşności współczynnika redukcji wariancji g(q)2 = s2 (q)2r /s2 (q)1 estymatora wartości menzurandu według metody PMM (2) (z wielomianem stopnia 2) od współczynników 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

Metodą wielomianową PMM i parametry wyznaczane z danych próbki za pomocą wielomianu r-tego stopnia oznaczać się będzie dalej w tekście dolnym indeksem (r). Niepewność pomiaru wg metody PMM(r) proponuje się oceniać ilościowo za pomocą współczynnika redukcji wariancji

52

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

Zygmunt Lech Warsza, Serhii Zabolotnii Na rysunku 1 przedstawiono zaleĹźnoĹ›ci współczynnika g(θ)2 od współczynnika asymetrii g3 dla kilku staĹ‚ych wartoĹ›ci współczynnika kurtozy g4 jako parametru. Krzywe z rysunku 1 wykazujÄ…, Ĺźe wariancja estymatora wg metody PMM(2), tj. z wielomianem drugiego stopnia znaczÄ…co maleje ze wzrostem asymetrii rozkĹ‚adu (wartoĹ›ci bezwzglÄ™dne |g3| współczynnikĂłw asymetrii i osiÄ…ga zero na brzegach obszaru dopuszczalnych wartoĹ›ci g3, ktĂłre wzrastajÄ… wraz z g4.

nego z danych prĂłbki pomiarowej) współczynnika redukcji wariancji gˆ (θ ) 2 . W obliczeniach estymatorĂłw parametru q (11) wielomianowÄ… metodÄ… PMM nie brano pod uwagÄ™ informacji a priori o rodzaju rozkĹ‚adu, a tylko wartoĹ›ci jego współczynnikĂłw kumulanta jako parametrĂłw modelu. Wyznaczano je z wyraĹźeĹ„ analitycznych wiąşących momenty i kumulanty rozkĹ‚adu (Tabela 1). W praktyce wstÄ™pujÄ… teĹź sytuacje, gdy informacja o rozkĹ‚adzie badanych parametrĂłw nie jest dostÄ™pna a priori. Potrzebne w analizie estymatory momentĂłw moĹźna wĂłwczas uzyskać z danych prĂłbki, lub w sposĂłb algorytmiczny przez procedury treningowe z wykorzystaniem relacji asymptotycznych:

3 PMM Na podstawie przeprowadzonych rozwaĹźaĹ„ opracowano pakiet oprogramowania w Ĺ›rodowisku programowym MATLAB. Przy asymetrycznie rozproszonych danych pomiarowych pakiet ten umoĹźliwia przeprowadzanie modelowania statystycznego niezbÄ™dnego do wyznaczenia estymatora menzurandu proponowanÄ… wielomianowÄ… metodÄ… PMM opartÄ… na statystykach wyĹźszego rzÄ™du i kumulantach. PodstawÄ… algorytmu pakietu jest wiele eksperymentĂłw symulowanych metodÄ… Monte Carlo. UmoĹźliwia on analizÄ™ porĂłwnawczÄ… dokĹ‚adnoĹ›ci róşnych algorytmĂłw estymacji statystycznej, a takĹźe zbadanie wĹ‚aĹ›ciwoĹ›ci probabilistycznych estymatorĂłw wielomianowych. Otrzymywana empirycznie wartość współczynnika g (θ ) 2 ” 1 wg wzoru (12), wyraĹźa wzglÄ™dne zmniejszenie wariancji estymatora i moĹźe stanowić kryterium porĂłwnawcze skutecznoĹ›ci metody PMM w stosunku do sposobu wyznaczania niepewnoĹ›ci typu A wg GUM. Współczynnik g (θ ) 2 oblicza siÄ™ na podstawie M-krotnych eksperymentĂłw symulacyjnych o tych samych poczÄ…tkowych wartoĹ›ciach obserwacji pomiarowych parametrĂłw modelu. Estymator współczynnika gˆ (θ ) 2 tworzy siÄ™ jako stosunek empirycznie oszacowanych wariancji ĎƒË† (2θ ) 2 estymowanego parametru (obliczonych metodÄ… PMM z wykorzystaniem wielomianu 2. stopnia) i wariancji ĎƒË† (2θ )1 liniowego estymatora tego parametru wg wzoru (6). Wiarygodność wynikĂłw symulacji uzyskiwanych za pomocÄ… algorytmĂłw estymacji statystycznej zaleĹźy od dwĂłch czynnikĂłw: − liczby n elementĂłw wektora wejĹ›ciowego, tj. wartoĹ›ci obserwacji pomiarowych estymowanego parametru, − liczby eksperymentĂłw M, przeprowadzanych z tymi samymi warunkami poczÄ…tkowymi (wartoĹ›ci skoĹ›noĹ›ci i kurtozy opisujÄ…ce probabilistyczne wĹ‚aĹ›ciwoĹ›ci modelu). Wykonano po M = 104 obliczeĹ„ metodÄ… Monte Carlo dla kilku rodzajĂłw asymetrycznych rozkĹ‚adĂłw danych pomiarowych. Uzyskano z nich Ĺ›rednie wartoĹ›ci eksperymentalnego (tj. wyznaczo-

a)

b)

ˆ3 m ˆ 2 2 , γˆ4 = (mˆ 4 mˆ 22 ) − 3 γˆ3 = m 3

(16)

ˆ i – moment centralny próbki i-tego rzędu gdzie: m ˆi = m

1 k ∑ x −x k v =1 v

(

)

i

(17)

Estymatory o postaciach (16) i (17) sÄ… zgodne i asymptotycznie nieobciÄ…Ĺźone. MetodÄ™ obliczania liczby k prĂłb treningowych niezbÄ™dnych do uzyskania okreĹ›lonej wartoĹ›ci wzglÄ™dnego bĹ‚Ä™du oszacowania współczynnikĂłw kumulanta g3 i g4 podano w [21]. Zestaw wynikĂłw uzyskanych metodÄ… Monte Carlo podano w tabeli 2. Analiza danych przedstawionych w tej tabeli wykazuje zbieĹźność miÄ™dzy wynikami obliczeĹ„ analitycznych i modelowaniem statystycznym. Wzrasta ona wraz z liczbÄ… n elementĂłw prĂłbki. W szczegĂłlnoĹ›ci róşnica miÄ™dzy eksperymentalnymi i teoretycznymi wartoĹ›ciami współczynnika redukcji wariancji gˆ (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… wĹ‚aĹ›ciwość asymptotycznÄ… (4) dotyczÄ…cÄ… wartoĹ›ci pozyskanej informacji o estymowanych parametrach. WzĂłr (3) umoĹźliwia uĹźycie tej informacji do wyznaczenia wariancji estymatorĂłw wielomianowÄ… metody PMM jako rozwiÄ…zaĹ„ rĂłwnania ogĂłlnego (1). PrzykĹ‚ady otrzymanych empirycznie metodÄ… Monte Carlo oszacowaĹ„ Ĺ›redniej arytmetycznej i jej niepewnoĹ›ci typu A wg GUM [2] oraz estymatora wartoĹ›ci menzurandu wedĹ‚ug metody PMM(2) i jego odchylenia standardowego (dla róşnych asymetrycznych rozkĹ‚adĂłw danych) – rys. 2. PrzykĹ‚ady te dotyczÄ… symulacji Monte Carlo o M = 104 eksperymentach i liczbie n = 50 danych obserwacji pomiarowych w prĂłbce. Na wykresach

c)

d)

Rys. 2. Wykresy pudełkowe oszacowań wartości menzurandu otrzymanych empirycznie metodą Monte Carlo (M = 10 4) dla próbki o n = 50 danych z populacji o rozkładach: a) wykładniczym; b) gamma (ι = 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 (ι = 2); c) log-normal; d) Weibull

53

C ! ! ! ! ! X% Y Tabela 2. Wyniki estymacji parametrĂłw uzyskane metodÄ… Monte Carlo Table 2. Results of estimated parameters by Monte-Carlo simulation

Teoretyczne

Symulacje

wartości parametrów

Monte Carlo

Rozkład

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 – 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 • 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 adekwatności liniowego modelu rozkładu (funkcja Gaussa, r = 1) i nieliniowego wielomianowego (r = 2), oszacowane według 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 zachęcają Czytelników do samodzielnego sprawdzenia metodą Monte Carlo wyników estymacji PPM interesujących ich rozkładów asymetrycznych, innych niş podane w tabeli 2 i do opracowania szczegółowych wniosków o zbadanych rozkładach. Innym waşnym rezultatem modelowania statystycznego jest sprawdzenie załoşenia, şe wraz ze wzrostem liczby n pozyskanych danych rozkłady estymatorów parametrów wielkości mierzonej q, obliczone metodą PMM według wzoru (11), dąşą asymptotycznie do funkcji Gaussa. Poprawność tej hipotezy dla estymatorów wyznaczanych metodą wielomianową PMM zbadano za pomocą testu Lillieforsa opartego na statystyce Kołmogorowa-Smirnowa [22]. Test ten jest wbudowany w oprogramowanie MATLAB. W tabeli 3 przedstawiono wyniki badania w postaci testu Lillieforsa. LSTAT – to wartości próbki badanej statystycznie, CV – krytyczna

Parametery wyjściowe testu Lillieforsa LSTAT

Rozkład

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‚kowego (ang. box-plot), pole w Ĺ›rodkowej części zawiera 50% przedziaĹ‚u ufnoĹ›ci estymatora, a oznaczenia dolnej i gĂłrnej granicy odpowiadajÄ… 2,5% i 97,5%. Wykresy te potwierdzajÄ…, Ĺźe metodÄ… PMM uzyska siÄ™ lepszy rezultat niĹź metodÄ… klasycznÄ… wg zaleceĹ„ GUM, gdyĹź nawet dla maĹ‚ych prĂłbek o n = 20, g (θ )2 < 1 , czyli ich wariancje sÄ… istotnie mniejsze.

54

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

Zygmunt Lech Warsza, Serhii Zabolotnii

wartość statystyki testu. JeĹźeli LSTAT < CV, to hipoteza zerowa jest waĹźna przy zadanym poziomie krytycznym. Wyniki przedstawione w tabeli 3 uzyskano wykonujÄ…c M = 104 eksperymentĂłw statystycznych MC dla kaĹźdego z kilku podstawowych asymetrycznych rozkĹ‚adĂłw populacji danych pomiarowych i róşnej liczby danych n prĂłbki x oraz przy staĹ‚ym poziomie istotnoĹ›ci a0 = 0,05 hipotezy zerowej (rozkĹ‚ad Gaussa). PrzyjÄ™te kryterium CV = 0,009 speĹ‚niajÄ… tylko nieliczne pogrubione w tabeli 3 wyniki dla liczby danych w prĂłbce n = 200. Dla mniejszych n nie moĹźna rozrzutu wartoĹ›ci estymatorĂłw menzurandu traktować jako podlegajÄ…cego rozkĹ‚adowi Gaussa. Wyznaczanie estymatora wariancji menzurandu metodÄ… wielomianowÄ… PMM stopnia r naleĹźy poprzedzić podanym w punkcie 4 unormowaniem oryginalnych danych pomiarowych, by otrzymać prĂłbkÄ™ x. Do oszacowania niepewnoĹ›ci rozszerzonej wyniku pomiarĂłw na podstawie wyraĹźeĹ„ analitycznych dla wariancji, np. takich jak otrzymane w punkcie 5 dla r = 2, potrzebna jest informacja a priori o rodzaju rozkĹ‚adĂłw dla okreĹ›lonej liczby współczynnikĂłw kumulanta opisujÄ…cych jej wĹ‚aĹ›ciwoĹ›ci probabilistyczne. Nie natrafiliĹ›my jeszcze w literaturze na zaleĹźnoĹ›ci analityczne współczynnikĂłw rozszerzenia niepewnoĹ›ci standardowej dla róşnych parametrĂłw rozkĹ‚adĂłw niegaussowskich i przy róşnej liczbie danych n. Dla okreĹ›lonego rozkĹ‚adu i maĹ‚ej liczby danych n prĂłbki moĹźna je wyznaczać numerycznie metodÄ… MC. Jedynie dla duĹźych n moĹźna przyjąć, Ĺźe sÄ… to rozkĹ‚ady normalne. Warto teĹź zauwaĹźyć, Ĺźe addytywne wĹ‚aĹ›ciwoĹ›ci funkcji opisujÄ…cej kumulanty umoĹźliwiajÄ… w prosty sposĂłb uwzglÄ™dniać skĹ‚adowe niepewnoĹ›ci generowane przez wiele ĹşrĂłdeĹ‚ i o róşnych wĹ‚aĹ›ciwoĹ›ciach probabilistycznych.

€

Ĺ Ä…czna analiza wynikĂłw rozwaĹźaĹ„ teoretycznych i eksperymentĂłw statystycznych umoĹźliwia sformuĹ‚owanie ogĂłlnego wniosku o moĹźliwoĹ›ci wykorzystania narzÄ™dzia matematycznego zaproponowanego przez Kunchenko, czyli metody maksymalizacji wielomianĂłw stochastycznych o akronimie PPM z opisem za pomocÄ… kumulantĂłw. MetodÄ™ tÄ™ moĹźna uĹźyć w konstruowaniu algorytmĂłw do wyznaczania nieliniowych estymatorĂłw wartoĹ›ci i niepewnoĹ›ci menzurandu dla danych pomiarowych rozproszonych losowo zarĂłwno symetrycznie [23, 24], jak i asymetrycznie oraz opisanych modelem niegaussowskim. OmĂłwione w tej pracy badania metodÄ… Monte Carlo wykazaĹ‚y w szczegĂłlnoĹ›ci, Ĺźe estymacja parametrĂłw menzurandu na podstawie danych prĂłbki z rozkĹ‚adu asymetrycznego, juĹź przy zastosowaniu wielomianu stopnia r = 2 daje wiÄ™kszÄ… dokĹ‚adność (mniejszÄ… wariancjÄ™) niĹź estymacja liniowa zalecana w GUM [2], tj. wyznaczanie Ĺ›redniej arytmetycznej i jej niepewnoĹ›ci typu A. ZwiÄ™kszenie dokĹ‚adnoĹ›ci, czyli zmniejszenie wariancji i niepewnoĹ›ci standardowej estymatorĂłw osiÄ…gniÄ™to dla niegaussowskich niesymetrycznych rozkĹ‚adĂłw danych pomiarowych przez wykorzystanie dodatkowej informacji o ich wĹ‚aĹ›ciwoĹ›ciach w postaci kumulantĂłw rzÄ™dĂłw r > 2. Informacja ta zaleĹźy od wartoĹ›ci i liczby kumulantĂłw branych pod uwagÄ™. W tej pracy wyraĹźono jÄ… przez bezwzglÄ™dne wartoĹ›ci współczynnikĂłw kumulantĂłw skoĹ›noĹ›ci i kurtozy. Takie szacowanie wydaje siÄ™ o wiele prostsze w porĂłwnaniu do wyboru rodzaju rozkĹ‚adu i wyznaczenia parametrĂłw jego funkcji dla danej prĂłbki o rozproszonych danych pomiarowych. To postÄ™powanie oraz sprawdzenia adekwatnoĹ›ci obu wyborĂłw jest jednak niezbÄ™dne do oszacowania niepewnoĹ›ci. Ponadto dla maĹ‚ych i nawet Ĺ›rednich prĂłbek (n < 150) nie moĹźna jednoznacznie dokonać najlepszego wyboru rozkĹ‚adu. WĹ›rĂłd wielu moĹźliwych kierunkĂłw dalszych badaĹ„, jako priorytetowe naleĹźy wymienić nastÄ™pujÄ…ce zadania: − zwiÄ™kszenie stopnia wielomianu stochastycznego, gdy trzeba uzyskać bardziej skuteczne rozwiÄ…zania;

− analiza wpĹ‚ywu dokĹ‚adnoĹ›ci kumulantĂłw rozkĹ‚adu niegaussowskiego na stabilność wielomianowej estymacji parametrĂłw menzurandu; − synteza i analiza wĹ‚aĹ›ciwoĹ›ci rekurencyjnych algorytmĂłw dla estymacji wielomianowÄ… metodÄ… PMM parametrĂłw menzurandĂłw wektorowych.

X & 1. Novickij P.V., Zograf I.A., Ę˝cenka 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 – Propagation of distributions using a Monte Carlo method., JCGM 101: 2008. OIML Geneva, Switzerland. 3. Doksum K., Measures of Location and Asymmetry. “Scandinavian Journal of Statisticsâ€?, Vol. 2, No. 1, 1975, 11–2 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, “arXivâ€?, 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, “Measurement Techniquesâ€?, Vol. 55, No. 11, 2013), 1316–1318. DOI: 10.1007/s11018-013-0127-z. 7. Bich W., Cox M., Michotte C., Towards a new GUM-an update. “Metrologiaâ€?, Vol. 53, No. 5, 2016, 149–159. 8. Cox M., Shirono K., Informative Bayesian type A uncertainty evaluation, especially applicable to a small number of observations. “Metrologiaâ€?, Vol. 54, No. 5, 2017, 642–652. 9. Levin S.F., The Identification of Probability Distributions. “Measurement Techniquesâ€?, Vol. 48, No. 2, 2005, 101–111, 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. “Pomiary Automatyka Komputery w Gospodarce i Ochronie Ĺšrodowiskaâ€?, Nr 1, 2010, 33–41. 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. “Modelirovanieâ€?, No. 1 (37), 2013, 134–138. 14. De Carlo L.T., On the meaning and use of kurtosis. “Psychological methodsâ€?, Vol. 2, No. 3, 1997, 292–307. 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., Kunchenko’s polynomials for template matching, 18th IEEE International Conference on Systems, Signals and Image Processing (IWSSIP), Sarajevo, 16–18 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 “Measurement in Research and Industryâ€? August 30,September 4, 2015, Prague, Czech Republic, 2088–2091. 20. Palahin V., Juh J., Joint signal parameter estimation in Non–Gaussian noise by the method of polynomial maximization, “Journal of Electrical Engineeringâ€?, Vol. 67, No. 3, 2016, 217–221. 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. “Journal of the Ameri-

can Statistical Association�, Vol. 62, No. 318, 1967, 399–402, 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, 468–480, DOI: 10.1007/978-3-319-54042-9_45. 24. Warsza Z.L., rów. 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

•

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

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 22, Nr 1/2018, 57–58, 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 przemysłowego, zamontowanego w ścianie obiektu (np. rurociąg) i przeanalizowano metodyczne błędy pomiaru temperatury spowodowane odprowadzaniem ciepła wzdłuş osłony termometru. ) 0 " " " E " D

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

( ( )) = n

d2 t x dx 2

gdzie:

n=

2

⎥ tg − tx ⎤ ⎣ ⎌

πιd = Νs

Îą Îťâ‹… δ

Ilość ciepła, która przechodzi przez dno osłony (x = 0) została przyjęta równa zero. W takim wypadku:

( )

dt x dx

(3)

=0 x =0

RozwiÄ…zujÄ…c rĂłwnanie (1) otrzymano:

( ) = cosh ( n ⋅ x ) −t cosh ( n ⋅ l )

tg − t x tg

(4)

s

Z tego wyraşenia przy x = 0 otrzymano wzór dla obliczenia poprawki Δt = te – tg (błąd metodyczny Δm)

Δm = te − tg =

tg − ts

( )

cosh n â‹… l

(5)

(1)

(2)

a – współczynnik przewodności cieplnej ze środowiska do czułego elementu pomiarowego (termometrycznego rezystora lub spoiny termopary)[W/mK], l – współczynnik przewodności cieplnej materiału osłony termometru [W/mK], s – powierzchnia poprzecznego cięcia osłony: s = pdd, gdzie d – grubość ścianki osłony)[m2], d – średnica osłony termometru [m].

$ ' 0 8= ( = % ) @ "% % $ ,-%&*%,&*. % &A%&$%,&*. % ! "" # $%&

Rys. 1. Schemat zamontowania termometru w ściance rurociągu i rozkład temperatury wzdłuş jego osłony Fig. 1. Diagram of mounting the thermometer in the pipeline wall and temperature distribution along thermowell

57

! $ B! 1. Przy prÄ™dkoĹ›ci powietrza 4 m/s i gĹ‚Ä™bokoĹ›ciach zanurzenia L = 350 mm oraz 650 mm, bĹ‚Ä…d metodyczny wynosi odpowiednio (–0,2 °C i –0,006 °C). 2. Przy prÄ™dkoĹ›ci powietrza 10 m/s i tych samych gĹ‚Ä™bokoĹ›ciach zanurzenia wartoĹ›ci bĹ‚Ä™dĂłw sÄ… znikome (–0,02 °C i –0,00007 °C). Jednak w rurociÄ…gu o duĹźych Ĺ›rednicach trudno zabezpieczyć wymagane zanurzenie termometrĂłw. W praktyce termometr zanurza siÄ™ na gĹ‚Ä™bokość 10–15 krotność Ĺ›rednicy osĹ‚ony dla gazĂłw lub 5–10 krotność Ĺ›rednicy osĹ‚ony dla cieczy. W rurociÄ…gach o maĹ‚ych Ĺ›rednicach (ø50–100 mm i mniej) naleĹźy montować termometry pod kÄ…tem (rys. 2c) lub na kolanie rurociÄ…gu (rys. 2a). Warto pamiÄ™tać, Ĺźe współczynnik wymiany ciepĹ‚a jest wiÄ™kszy przy poprzecznym (rys. 2b) omywaniu termometra, niĹź przy kÄ…towym (rys. 2c) lub wzdĹ‚uĹźnym (rys. 2a). Warunki przy pomiarach temperatury pĹ‚ynĂłw sÄ… lepsze, poniewaĹź współczynnik ciepĹ‚a przewodnoĹ›ci dla pĹ‚ynĂłw jest wiÄ™kszy niĹź powietrza: wody – 0,6 W/mK, powietrza – 0,022 W/mK. Przedstawione rozwaĹźania wskazujÄ…, Ĺźe przy prawidĹ‚owym montaĹźu termometrĂłw bĹ‚Ä™dy metodyczne sÄ… pomijalne.

Rys. 2. Przykłady montaşu termometru Fig. 2. Examples of thermometer mounting

Temperatura termometru przy x = 0 moşe być z niektórym przyblişeniem równa temperaturze spoiny termopary. Przy pomiarach temperatury rezystancyjnymi czujnikami z powodu dość znacznych rozmiarów elementów średnia temperatura elementu te będzie mniejsza od temperatury czujnika. Przy długości rezystora lr metodyczny błąd Δm moşna obliczyć stosując wzór:

Δm =

tg − t0

( )

cosh n â‹… l

â‹…

(

sinh l â‹… n â‹… b lâ‹…nâ‹…b

)

X &

(6)

1. Lieneweg F. Handbuch der technischen Temperaturmessung. Wydawnictwo “Fridrich Vieweg und Sohn Vezlagsgesellschaft mbHâ€?, Braunschweg 1976. 2. PreobraĹźenski W.P., Tieplotiechniczeskije izmiernienia i pribory. Wydawnictwo „Energiaâ€?, Moskwa, 1978. 3. Bernhazd F., Technische Tempezaturmessung. Wydawnictwo „Springer – Verlagâ€?, Berlin 2012. 4. Leino R., Jak sprostować wyzwaniu poprawnego pomiaru temperatury. „Control Engineering, Polskaâ€?, Nr 4, 2015, 72–74. 5. Olejnik B.N., Ĺ azdina S.I., Ĺ azdin O.M., ĹťaguĹ‚Ĺ‚o O.M., Pribory i metody temperaturnych izmerenij. Wydawnictwo „StandardĂłwâ€?, Moskwa 1987.

gdzie: t0 – temperatura dna osĹ‚ony. Dlatego, aby temperatura koĹ„ca osĹ‚ony i elementu byĹ‚y jednakowe, w termometrach naleĹźy zabezpieczyć dobry cieplny kontakt elementu z osĹ‚onÄ…. Metodyczny bĹ‚Ä…d pomiarĂłw, jak to widać z rĂłwnania (6) moĹźe być zmniejszony drogÄ… podwyĹźszenia temperatury t0, (dlatego trzeba miejsce poĹ‚Ä…czenia termometru ze Ĺ›ciankÄ… rurociÄ…gu zaizolować) lub zwiÄ™kszyć gĹ‚Ä™bokość zanurzenia termometru. Obliczenia [2] bĹ‚Ä™dĂłw pomiaru temperatury powietrza w rurociÄ…gu rzÄ™du 350 °C termometrem rezystancyjnym w stalowej osĹ‚onie o Ĺ›rednicy 21 mm i gruboĹ›ciÄ… Ĺ›cianki 4 mm pokazaĹ‚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 thermometer’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

•

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 Œa>FŒ b\H& QG+QMgQg?%@ ‹KKP?Œa

Q S = E M M I MS = M " " ;! , 3 $ - 3 0 $ 3 0 % 3 0 $ %- 3

; =

" 8 > " " M 8> > % ' " ,&, &,@4.6 /

Streszczenie: Chociaş pojęcie robotów współpracujących zostało wprowadzone ponad 20 lat temu, to dopiero w ostatnim czasie przeşywa ono prawdziwy rozkwit. Dzieje się tak głównie za sprawą wprowadzenia lekkich robotów o niewielkim udźwigu, które są wyposaşone w funkcje zabezpieczenia zgodnie z obowiązującymi normami. Dzięki temu urządzenia te mogą w bezpieczny sposób współpracować z człowiekiem we wspólnej przestrzeni roboczej. Tak teş są reklamowane przez producentów, którzy wieszczą nową erę robotyzacji. Potwierdzają to liczne udane wdroşenia. Aplikacje te jednak koncentrują się na operacjach przemieszczania detali (material handling). Tymczasem statystycznie tego rodzaju wdroşenia stanowią połowę zastosowań robotów przemysłowych. W artykule wskazano na inne obszary technologiczne i przedyskutowano moşliwości i bariery zastosowania w nich robotów współpracujących. ) 0 $ $ L. $ : $

W rozwoju robotyki od lat moşna mówić o dwóch kierunkach. Z jednej strony próbuje się budować urządzenia, które zastąpią człowieka. Z drugiej strony mamy koncepcje urządzeń, które będą pracowały razem z człowiekiem. W początkowym okresie (lata 60. XX w.) wysiłki zespołów badawczych skupiały się przede wszystkim na przemysłowych zastosowaniach robotów. Takie teş były pierwsze wdroşenia [1]. Robotyzacja obejmowała głównie operacje technologiczne, przy realizacji których panowały trudne warunki pracy i człowiek był naraşony na działanie czynników szkodliwych (temperatura, hałas, promieniowanie, pyły, opary). Dlatego teş jednym z priorytetów projektantów instalacji zrobotyzowanych było odsunięcie człowieka od obszaru zagroşeń. Zastępował go robot. Operator był równieş odizolowany od samego robota. Obszar roboczy robota był zabezpieczony specjalnymi ogrodzeniami, wyposaşonymi w systemy sensoryczne, które wykrywały wejście człowieka, stwarzające moşliwość jego kontaktu z robotem. Dla tej grupy robotów opracowano szereg aktów normalizacyjnych. Obejmują

$ ' 0 E = ) % $ &.%&*%,&*. % ,6%&,%,&*. % ! "" # $%&

one m.in. terminologiÄ™ [3], gdzie definicjÄ™ robota przemysĹ‚owego przyjÄ™to jako: „Automatycznie sterowany, reprogramowalny, uniwersalny manipulator, programowany w trzech lub wiÄ™cej osiach, ktĂłry moĹźe być urzÄ…dzeniem zamocowanym na staĹ‚e albo mobilnym, przeznaczony do zastosowania w aplikacjach automatyki przemysĹ‚owejâ€? W normie tej zaznaczono, Ĺźe robot przemysĹ‚owy zawiera: − manipulator, wraz z napÄ™dami − ukĹ‚ad sterowania, wraz z panelem programowania i interfejsem komunikacyjnym (hardware i software). I wĹ‚aĹ›nie sposĂłb komunikacji robota z czĹ‚owiekiem HRC (ang. Human Robot Communication) byĹ‚ cechÄ…, ktĂłra od poczÄ…tku wyróşniaĹ‚a roboty spoĹ›rĂłd innych urzÄ…dzeĹ„ zautomatyzowanego wytwarzania. W robotach przemysĹ‚owych najwaĹźniejszym zadaniem systemu HRC byĹ‚o umoĹźliwienie nauczenia robota jego zadania, a nastÄ™pnie zarzÄ…dzanie jego dziaĹ‚aniem i przekazywanie informacji o stanie pracy. Roboty przemysĹ‚owe od poczÄ…tku byĹ‚y obsĹ‚ugiwane przez operatorĂłw o pewnej wiedzy, a przynajmniej doĹ›wiadczeniu technicznym. InstalacjÄ…, programowaniem, konserwacjÄ… zajmowali siÄ™ na ogół inĹźynierowie. BezpoĹ›redniÄ… obsĹ‚ugÄ… na stanowiskach – pracownicy produkcyjni, po odpowiednich przeszkoleniach. Poziom kompetencji technicznych operatorĂłw byĹ‚ jednym z powodĂłw ograniczania zakresu informacji przekazywanych do/od robotĂłw. RĂłwnieĹź z tego powodu wystarczaĹ‚o stosowanie bardzo prostych metod i Ĺ›rodkĂłw komunikacji. Roboty przemysĹ‚owe byĹ‚y czÄ™sto duĹźe, miaĹ‚y znaczny udĹşwig, nawet ponad 1000 kg oraz osiÄ…gaĹ‚y duĹźe przyspieszenia i prÄ™dkoĹ›ci ruchu. UrzÄ…dzenia te stwarzaĹ‚y zagroĹźenie w przypadku

59

# ] ; ! $ # ; +++

bezpoĹ›redniego kontaktu z czĹ‚owiekiem. Dodatkowo roboty operowaĹ‚y z reguĹ‚y narzÄ™dziem lub detalem obrabianym, ktĂłry nierzadko sam w sobie byĹ‚ niebezpieczny (ostre krawÄ™dzie, wysoka temperatura). Dlatego rĂłwnolegle z rozwojem konstrukcji i zastosowaĹ„ opracowano takĹźe róşnego rodzaju przepisy, zalecenia i normy zwiÄ…zane z bezpieczeĹ„stwem robotĂłw i systemĂłw zrobotyzowanych [6, 11, 12]. GeneralnÄ… zasadÄ…, ktĂłrÄ… w nich stosowano, byĹ‚o odizolowanie czĹ‚owieka od robota, szczegĂłlnie gdy ten drugi jest w trybie pracy automatycznej. Koncepcje wprowadzenia robotĂłw w Ĺ›rodowisko czĹ‚owieka staĹ‚y siÄ™ realne dopiero w latach 80. XX w. [2]. WiÄ…zaĹ‚o siÄ™ to gĹ‚Ăłwnie z rozwojem systemĂłw mobilnych, ktĂłre umoĹźliwiĹ‚y robotom przemieszczanie siÄ™. PowstaĹ‚a osobna grupa robotĂłw, tzw. roboty usĹ‚ugowe. Granica miÄ™dzy oboma grupami jest bardzo niewyraĹşna i wciÄ…Ĺź trwajÄ… dyskusje, na temat tego podziaĹ‚u. W normie ISO dotyczÄ…cej terminologii dopiero w wydaniu z 2012 r. [3] zapisano definicjÄ™, wedĹ‚ug ktĂłrej robot usĹ‚ugowy to: „Robot, ktĂłry realizuje zadania poĹźyteczne dla czĹ‚owieka lub urzÄ…dzeĹ„, wyĹ‚Ä…czajÄ…c aplikacje automatyki przemysĹ‚owejâ€?. Od poczÄ…tku zakĹ‚adano, Ĺźe roboty usĹ‚ugowe bÄ™dÄ… uĹźywane przez zwykĹ‚ych ludzi, ktĂłrzy nie majÄ… przygotowania technicznego. JednoczeĹ›nie zadania przewidywane do realizacji przez roboty usĹ‚ugowe, nakĹ‚adaĹ‚y wymagania przekazywania miÄ™dzy nimi a ich operatorami/uĹźytkownikami znacznie bardziej róşnorodnych informacji, w znacznie wiÄ™kszych iloĹ›ciach. Roboty te z zaĹ‚oĹźenia pracujÄ… w pobliĹźu ludzi, muszÄ… wiÄ™c od nich odbierać i zwrotnie przekazywać do nich informacje w czasie rzeczywistym. Roboty usĹ‚ugowe muszÄ… teĹź być bezpieczne w bezpoĹ›rednim kontakcie z czĹ‚owiekiem, Ĺźeby nie stwarzaĹ‚y dla niego zagroĹźenia. NiewÄ…tpliwie dobre przyjÄ™cie robotĂłw usĹ‚ugowych przez uĹźytkownikĂłw, szybki rozwĂłj tej grupy urzÄ…dzeĹ„ i staĹ‚y wzrost wartoĹ›ci sprzedaĹźy rozwiÄ…zaĹ„ komercyjnych, to wszystko miaĹ‚o wpĹ‚yw na podejmowane prĂłby przeniesienia niektĂłrych rozwiÄ…zaĹ„ na grunt robotyki przemysĹ‚owej. MoĹźna powiedzieć, Ĺźe rozwĂłj robotĂłw usĹ‚ugowych przyczyniĹ‚ siÄ™ do powstania idei robotĂłw współpracujÄ…cych z czĹ‚owiekiem w Ĺ›rodowiskach przemysĹ‚owych.

# > 7 7 ' ,

dla urzÄ…dzenia, nad ktĂłrym pracowano. ByĹ‚o to urzÄ…dzenie wspomagajÄ…ce czĹ‚owieka w przenoszeniu przedmiotĂłw, manipulowaniu nimi. SĹ‚owo „Cobotâ€? wyszĹ‚o poza mury uczelni i zaczęło zdobywać popularność. W tym czasie gazeta Wall Street Journal prowadziĹ‚a akcjÄ™ poszukiwania sĹ‚Ăłw, ktĂłre zrobiÄ… karierÄ™ w niedalekiej przyszĹ‚oĹ›ci („Words of Tomorrowâ€?). SĹ‚owo „Cobotâ€? znalazĹ‚o siÄ™ na liĹ›cie opublikowanej w wydaniu z 1 stycznia 2000 r., a student otrzymaĹ‚ nagrodÄ™ w wysokoĹ›ci 50 dolarĂłw. W praktyce roboty współpracujÄ…ce nie zawojowaĹ‚y rynku. Wprawdzie nowym pomysĹ‚em zainteresowaĹ‚y siÄ™ duĹźe firmy z branĹźy motoryzacyjnej, m.in. Genral Motors i Ford sponsorowaĹ‚y badania prowadzone na Northwestern University. PowstaĹ‚y zespoĹ‚y zajmujÄ…ce siÄ™ tÄ… tematykÄ… rĂłwnieĹź na innych uniwersytetach. Prace w tym obszarze byĹ‚y wspierane takĹźe przez amerykaĹ„skie agencje federalne (np. NSF National Science Foundation). PojawiaĹ‚y siÄ™ nowe publikacje na konferencjach i w pismach zwiÄ…zanych z robotykÄ… [7, 8]. Roboty współpracujÄ…ce znalazĹ‚y siÄ™ rĂłwnieĹź w obszarze zainteresowania organizacji naukowo-technicznych (np. RIA The Robotic Industries Association) i standaryzacyjnych. BrakowaĹ‚o jednak konkretnych produktĂłw komercyjnych. Sami wynalazcy prĂłbowali zmienić ten stan, zakĹ‚adajÄ…c firmÄ™ Cobotics. Jednak po kilku latach dziaĹ‚alnoĹ›ci bez wiÄ™kszych sukcesĂłw sprzedali przedsiÄ™biorstwo znanemu producentowi narzÄ™dzi, Stanley Assembly Technologies Inc. dzisiaj Ĺ›ladem tamtych wydarzeĹ„ jest informacja na stronie Stanley’a, zatytuĹ‚owana IAD Applications [9]. Ocalenie dla robotĂłw współpracujÄ…cych przyszĹ‚o z Europy, a w roli ratownika wystÄ…piĹ‚a firma Universal Robots, zaĹ‚oĹźona w 2005 r. w Danii [16]. Cztery lata później firma ta wprowadziĹ‚a na rynek model UR5 – reklamujÄ…c go jako pierwszego na Ĺ›wiecie robota współpracujÄ…cego. MiaĹ‚ on 6 stopni swobody, udĹşwig 5 kg oraz zasiÄ™g roboczy 85 cm, przy masie caĹ‚kowitej 18 kg. ChociaĹź poczÄ…tkowo moĹźna byĹ‚o spotkać siÄ™ z wieloma sceptycznymi prognozami co do szans tej nowej inicjatywy, sukces rynkowy robotĂłw spod znaku UR szybko rozwiaĹ‚ wszelkie wÄ…tpliwoĹ›ci. Robot zostaĹ‚ bardzo dobrze przyjÄ™ty, gĹ‚Ăłwnie przez maĹ‚e firmy. DuĹźy udziaĹ‚ w tym poczÄ…tkowym sukcesie miaĹ‚a na pewno cena, istotnie niĹźsza od standardowych robotĂłw przemysĹ‚owych o podobnych parametrach. Pierwsze produkty byĹ‚y sprzedawane w Danii i Niemczech, ale firma szybko rozszerzyĹ‚a swoja dziaĹ‚alność na pozostaĹ‚e kraje europejskie. WkrĂłtce UR wkroczyĹ‚ na rynek

ChociaĹź idea robotĂłw współpracujÄ…cych z czĹ‚owiekiem byĹ‚a obecna w technice, a zwĹ‚aszcza w sztuce (gĹ‚Ăłwnie literatura science-fiction, komiksy oraz filmy) od wielu lat, urzÄ…dzenia te przez dĹ‚ugi czas nie byĹ‚y klasyfikowane jako osobna grupa, typ, rodzaj. JednoczeĹ›nie w wielu oĹ›rodkach naukowych i badawczych prowadzono prace nad nowymi rozwiÄ…zaniami konstrukcyjnymi robotĂłw i urzÄ…dzeĹ„ manipulacyjnych oraz ich zastosowaniem, uwzglÄ™dniajÄ…c aspekty techniczne, organizacyjne, a takĹźe kontaktu z czĹ‚owiekiem. NiektĂłre opracowania bardzo szybko znajdowaĹ‚y uznanie odbiorcĂłw przemysĹ‚owych i pojawiaĹ‚y siÄ™ na rynku w postaci oferty komercyjnej. PrzykĹ‚adem mogÄ… być roboty SCARA. Inne pozostawiaĹ‚y swĂłj Ĺ›lad w raportach publikacjach, zgĹ‚oszeniach patentowych i czekaĹ‚y na lepsze czasy. Do tej drugiej grupy moĹźna zaliczyć roboty współpracujÄ…ce. W 1997 r. J. Edward Colgate i Michael Peshkin, profesorowie uniwersytetu Northwestern (Evanston, w stanie Illinois, USA), zĹ‚oĹźyli wniosek patentowy na urzÄ…dzenie o nazwie “Cobotâ€? [4]. WczeĹ›niej pojawiĹ‚a siÄ™ publikacja prezentujÄ…ca ogĂłlnÄ… ideÄ™ rozwiÄ…zania [5]. Przedstawiano je jako robotyczne urzÄ…dzenie, ktĂłre manipuluje obiektami we współpracy z operatorem, czĹ‚owiekiem. Sam termin „cobotâ€? zostaĹ‚ zaproponowany po raz pierwszy przez praktykanta odbywajÄ…cego w tym czasie w zespole wspomnianych profesorĂłw na Northwestern University staĹź postdoktorancki. Jego pomysĹ‚ nowego okreĹ›lenia byĹ‚ odpowiedziÄ… na konkurs ogĹ‚oszony w laboratorium, aby wymyĹ›lić lepszÄ… nazwÄ™

Rys. 1. Stanowisko z robotem YuMiŽ – IRB 14000 podczas targów Automatica 2014 (fot. własna autorów) Fig. 1. Assembly cell with YuMiŽ – IRB 14000 robot, presented on the Automatica 2014 fair (own photo of the authors)

FG

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

/$ ; % %

/ :

Rys. 2. Roboty UR pracują obok ludzi, bez şadnych osłon Fig. 2. UR robots work next to people, without any guards

Rys. 3. Robot UR obsługujący maszynę obróbczą Fig. 3. UR robot supporting a machining machine

chiĹ„ski, a od 2012 r. jest obecny w USA. W tym samym roku miaĹ‚a miejsce premiera modelu UR10, oferujÄ…cego udĹşwig 10 kg i zasiÄ™g 130 cm. W 2015 r. Universal Robots wypuĹ›ciĹ‚a UR3 – swĂłj najlĹźejszy model, o udĹşwigu 3 kg. JednoczeĹ›nie byĹ‚ to pierwszy model zaprojektowany specjalnie z myĹ›lÄ… o współpracy z czĹ‚owiekiem, gĹ‚Ăłwnie przy wykonywaniu zadaĹ„ dotyczÄ…cych lekkiego montaĹźu. W Ĺ›lad za DuĹ„czykami wszyscy liczÄ…cy siÄ™ producenci robotĂłw na Ĺ›wiecie zaczÄ™li prezentować swoje propozycje modeli przystosowanych do współpracy z czĹ‚owiekiem. Firma ABB opracowaĹ‚a dwuramiennego robota YuMi – IRB 14000 [17] współpracujÄ…cego z czĹ‚owiekiem przeznaczonego do montaĹźu maĹ‚ych części (udĹşwig robota wynosi 500 gram). Ramiona robota sÄ… elastyczne, co umoĹźliwia ograniczenie moĹźliwoĹ›ci powstania urazĂłw, przy kontakcie z czĹ‚owiekiem. ABB oferuje dodatkowo przeznaczony specjalnie dla tego robota system podajÄ…cy części oraz system do lokalizacji części, wykorzystujÄ…cy kamerÄ™ zintegrowanÄ… 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…ce LBR iiwa (LBR to skrĂłt od „Leichtbauroboterâ€? lekki robot przemysĹ‚owy) przeznaczone do prac montaĹźowych [18]. PosiadajÄ… one czuĹ‚e czujniki momentu obrotowego we wszystkich siedmiu osiach. Czujniki te pozwalajÄ… na wykonanie najbardziej delikatnych zadaĹ„ montaĹźowych bez uszkodzenia elementĂłw. UmoĹźliwiajÄ… wykrywanie kolizji ramienia robota z przeszkodÄ…. DziÄ™ki tym czujnikom moĹźliwe jest wodzenie robota za „nadgarstekâ€?. Specjalne funkcje oprogramowania pozwalajÄ… wykorzystać ten tryb do programowania ruchĂłw robota. Na poczÄ…tek dostÄ™pne byĹ‚y dwie wersje o udĹşwigu wynoszÄ…cym 7 kg i 14 kg oraz zasiÄ™gu odpowiednio 800 mm i 820 mm. FANUC [19] pierwszego robota współpracujÄ…cego zaprezentowaĹ‚ w 2015 r. ByĹ‚ to model CR-35iA, o udĹşwigu 35 kg. W pierwszej poĹ‚owie 2016 r. FANUC przedstawiĹ‚ kolejny, mniejszy model robota współpracujÄ…cego – CR-7iA o udĹşwigu 7 kg. Podobnie jak u poprzednika, jego manipulator jest malowany na charakterystyczny zielony kolor. W materiaĹ‚ach firmy FANUC moĹźna spotkać od tego czasu okreĹ›lenie „zielony robot współpracujÄ…cyâ€?. Swoje propozycje dla segmentu robotĂłw współpracujÄ…cych prezentujÄ… takĹźe inne duĹźe firmy, m.in. Yaskawa (Motoman), Comau, Kawasaki. Na rynku sÄ… rĂłwnieĹź mniejsze, mĹ‚ode firmy. PrzykĹ‚adem moĹźe być Rethink Robotics [20]. Firma ta zaprezentowaĹ‚a w 2012 r. model Baxter – jeden z pierwszych dwuramiennych robotĂłw współpracujÄ…cych. Jego manipulator (ciaĹ‚o) skĹ‚ada siÄ™ z gĹ‚owy, korpusu (tuĹ‚owia) i dwĂłch ramion. Na gĹ‚owie robota znajduje siÄ™ sonar o zakresie skanowania 360° i kamera, ktĂłre sĹ‚uşą do wykrywania obiektĂłw, w tym ludzi wokół robota. KaĹźde z ramion ma 7 stopni swobody. MogÄ… one pracować

w trybie automatycznym, wykonując zadany program uşytkowy, przy wykorzystaniu systemu wizyjnego lub w trybie sterowania ręcznego, za pośrednictwem panelu z zaimplementowanym interfejsem uşytkownika. W celu zwiększenia bezpieczeństwa w przegubach robota są zainstalowane czujniki sił/momentów.

U 4 7 ' , , Problematyka współpracy czĹ‚owieka i robota w Ĺ›rodowisku przemysĹ‚owym od wielu lat jest przedmiotem prac róşnego rodzaju gremiĂłw zwiÄ…zanych z opracowywaniem uregulowaĹ„ prawnych i standaryzacyjnych. W podstawowej normie dotyczÄ…cej bezpieczeĹ„stwa robotĂłw i systemĂłw zrobotyzowanych, ISO 10218 [11, 12], juĹź w wydaniu z 2006 r. pojawiĹ‚y siÄ™ wymagania odnoĹ›nie zapewnienia bezpieczeĹ„stwa pracy przy zastosowaniu robotĂłw współpracujÄ…cych w warunkach przemysĹ‚owych. W roku 2009 r. niemiecki instytut bezpieczeĹ„stwa i higieny pracy BGIA (Berufsgenossenschaftliches Institut fĂźr Arbeitsschutz, od 2010 r. IFA Institut fĂźr Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung) opublikowaĹ‚ zalecenia odnoĹ›nie projektowania stanowisk z robotami współpracujÄ…cymi [10]. Ostatnim waĹźnym dokumentem normalizacyjnym jest specyfikacja techniczna zawierajÄ…ca ISO wskazĂłwki dotyczÄ…ce instalacji i uĹźytkowania stanowisk z robotami, ktĂłre operujÄ… we wspĂłlnej z ludĹşmi przestrzeni roboczej [13]. Prace standaryzacyjne w tym obszarze wciÄ…Ĺź trwajÄ…. Jest sporo do zrobienia, choćby w zakresie ujednolicenia dokumentĂłw. PrzykĹ‚adowo, definicja samego robota współpracujÄ…cego jest zarĂłwno w ISO 2018 [12], jak teĹź w normie terminologicznej [3]. I nie sÄ… to sformuĹ‚owania identyczne. O wadze, jakÄ… miÄ™dzynarodowa organizacja standaryzacyjna przywiÄ…zuje do problemĂłw robotyki, w tym do bezpieczeĹ„stwa w kontaktach czĹ‚owieka z robotem Ĺ›wiadczy fakty, Ĺźe w 2016 r. ustanowiono nowy komitet techniczny ISO/TC299 [14] poĹ›wiÄ™cony wyĹ‚Ä…cznie robotyce. Jest on obecnie odpowiedzialny za aktualnie prowadzone prace oraz inicjowanie nowych kierunkĂłw w obszarze robotyki

( 7 7 ' , Według danych międzynarodowej organizacji obrotowej IFR [15] w 2013 r. około 44% wszystkich robotów zainstalowanych w przemyśle było zastosowanych do realizacji zadań typu „Material Handling�. Ta grupa obejmuje m.in. obsługę maszyn, pakowanie i paletyzacje, podawanie części typu pick-and-place. Kolejne 9% robotów jest zatrudnionych przy operacjach montaşu i demontaşu. W sumie ponad połowa robotów w przemyśle wykonuje zadania polegające na przemieszczaniu

FQ

# ] ; ! $ # ; +++

Rys. 4. Współpraca robota i człowieka na stanowisku klejenia bloków montaşowych 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™ w ramiÄ™ 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 współpracujÄ…ce sÄ… wdraĹźane gĹ‚ownie w tego typu aplikacjach. NajwiÄ™cej informacji o tych wdroĹźeniach moĹźna znaleźć na stronach internetowych firm oferujÄ…cych roboty i ich integratorĂłw. Firma Atria Scandinavia (Szwecja) jest jednym z wiodÄ…cych północnoeuropejskich producentĂłw artykuĹ‚Ăłw dla wegetarian i smakoszy zdrowej ĹźywnoĹ›ci przeznaczonych do sprzedaĹźy w maĹ‚ych sklepach i Ĺ‚aĹ„cuchach sklepĂłw detalicznych potrzebujÄ…cych caĹ‚odobowych dostaw. W jednym z jej oddziaĹ‚Ăłw, miÄ™dzy okoĹ‚o 30-osobowÄ… zaĹ‚ogÄ… pracujÄ… trzy roboty firmy Uniwersal Robots. Roboty zainstalowano w dziale pakowania (rys. 2). Dwa modele UR5 oraz jeden UR10 sÄ… wykorzystywane do paletyzacji i etykietowania. ZarzÄ…d firmy podkreĹ›la szybki czas zwrotu inwestycji. Z kolei pracownicy chwalÄ… prostÄ…, intuicyjnÄ… obsĹ‚ugÄ™ i Ĺ‚atwe programowanie, co prowadzi do redukcja czasu potrzebnego na zmianÄ™ produkcji. Firma BJ-Gear (Dania) jest Ĺ›wiatowym liderem w produkcji kół zÄ™batych. W firmie wdroĹźono trzy roboty UR 5 (rys. 3). SÄ… one wykorzystywane do obsĹ‚ugi maszyn (tokarka, frezarka i pĹ‚uczkÄ™), malowania pistoletem natryskowym, matrycowania kół zÄ™batych i stÄ™piania ostrych krawÄ™dzi. Dodatkowo wdroĹźono robota UR 10, ktĂłry jest wykorzystywany do automatyzacji procesĂłw wykorzystujÄ…cych elementy robocze waşące ponad 5 kg. Zautomatyzowane rozwiÄ…zania wpĹ‚ynęły na zwiÄ™kszenie produktywnoĹ›ci i elastycznoĹ›ci w firmie. DziÄ™ki robotom odnotowano wzrost produkcji bez koniecznoĹ›ci zatrudniania dodatkowych pracownikĂłw. Firma Franke (Szwajcaria) jest znanym na caĹ‚ym Ĺ›wiecie producentem mebli kuchennych. Wytwarza takĹźe ponad 10 000 rocznie róşnego typu zlewozmywakĂłw, ktĂłrych produkcjÄ™ zdecydowano zautomatyzować. W procesie produkcji, po wytĹ‚oczeniu aluminiowego zlewu po bokach klejone sÄ… bloki montaĹźowe. Jest to zadanie powtarzalne, dla operatora nuşące i dlatego zostaĹ‚o wytypowane do robotyzacji. W aplikacji wykorzystano robota UR 5 (rys. 4). Operator zakĹ‚ada kolejne zlewy na stół montaĹźowy. Robot pobiera bloki montaĹźowe, nakĹ‚ada klej i umieszcza je na Ĺ›cianach zlewĂłw. Stanowisko umoĹźliwia bezpiecznÄ…, elastycznÄ… obsĹ‚ugÄ™ bez koniecznoĹ›ci stosowania osĹ‚on, ekranĂłw, kurtyn. W efekcie automatyzacji uzyskano oszczÄ™dność kleju i zmniejszenie liczby bĹ‚Ä™dĂłw podczas przytwierdzania blokĂłw montaĹźowych. W miejscowoĹ›ci Bad Neustadt an der Saale (Niemcy) znajduje siÄ™ fabryka Siemensa Lead Factory, w ktĂłrej powstajÄ… silniki elektryczne (w tym takĹźe silniki elektryczne do robotĂłw firmy KUKA). Przy ich produkcji wykorzystywany jest lekki robot KUKA LBR iiwa, ktĂłry moĹźe ramiÄ™ w ramiÄ™ pracować z czĹ‚o-

wiekiem (rys. 5). Robot jest odpowiedzialny za chwytanie obrobionej juş części i skanowanie kodu kreskowego. Po oczyszczeniu powietrzem obrabianych elementów robot doprowadza je do stanowiska pomiarowego. Tutaj stwierdzane są ewentualne nieprawidłowości. Dzięki technologii sieciowej na podstawie dokładnego pomiaru i identyfikacji kaşdego podzespołu moşna w razie potrzeby natychmiast obliczyć niezbędną korektę obróbki i zrealizować ją w systemie. Następnie robot umieszcza dobrą część w skrzynce wyjściowej. Części, które muszą zostać poprawione, trafiają do stacji pośredniej, gdzie są dokonywane korekty. Aplikacja jest elastyczna. W razie problemów z robotem, w kaşdej chwili moşe go zastąpić pracownik i przejąć obsługę.

FK

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

[ A ! & ( E 7 7 ' , Jak wynika z dostępnych informacji, roboty współpracujące są dzisiaj stosowane głównie do automatyzacji zadań związanych z przemieszczaniem przedmiotów i manipulowaniem nimi. Potwierdzają to przytoczone przykłady aplikacji. Wprowadzanie robotów do innych technologii jest dopiero przedmiotem badań. Występują tu specyficzne ograniczenia wynikające z samych procesów. Przykładowo w spawalnictwie, które zatrudnia dzisiaj ok. 30% robotów, w poblişu procesu panują bardzo szkodliwe warunki dla człowieka (hałas, promieniowanie, temperatura, opary, odpryski). Dlatego odsunięcie operatora od procesu jest wielkim plusem jego robotyzacji. Dodatkowo w praktyce wykonywania operacji spawalniczych przez ludzi, rzadko spotyka się stanowiska wieloosobowe. Trudno znaleźć miejsce takşe dla współpracującego robota. Widać, şe duşą bariera w szerszym stosowaniu robotów współpracujących jest komunikacja między człowiekiem i robotem. Obecnie do komunikacji i bezpośrednich interakcji w robotach przemysłowych najczęściej jest stosowane urządzenie typu panel programowania wykorzystujące interfejs graficzny. Spełnia on dzisiejsze wymagania klasycznych zrobotyzowanych systemów produkcyjnych. W robotach współpracujących koniecznym jest zastosowanie dodatkowego kanału komunikacji, wykorzystującego inny typ sygnału, dostosowany do procesu. W aplikacjach, gdzie nie ma duşego natęşenia hałasu moşe to być komunikacja głosowa. W innych przypadkach mogą być wykorzystywane sygnały mechaniczne (szturchnięcie robota przez operatora), dodatkowe kanały optyczne (lampy sygnalizacyjne). Celem jest zapewnienie informowania człowieka o stanie pracy robota (np. powiadomienie go A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

/$ ; % %

/ :

o samym fakcie, şe znalazł się w przestrzeni roboczej urządzenia). W druga stronę człowiek musi mieć moşliwość poinformowania robota, şe jest w poblişu niego lub wręcz stoi na jego drodze. W pracach badawczych widać wyraźnie tendencje zblişania sposobu komunikowania się ludzi bezpośrednio z robotami przemysłowymi do komunikacji z robotami usługowymi. Wydaje się, şe ostatecznie oba warianty będą dąşyć do komunikacji typu człowiek-człowiek. Pierwszym krokiem w realizacji tej wizji jest doposaşenia robotów pracujących w instalacjach przemysłowych, w więcej niş jeden zmysł i na jego bazie stworzenie wspomnianego dodatkowego kanału komunikacji. Innym obserwowanym kierunkiem jest wykorzystanie nowoczesnych rozwiązań z obszaru rzeczywistości wirtualnej i rozszerzonej. Proponuje się wyposaşenie ludzi pracujących w hali z robotami, które nie są otoczone ogrodzeniami, a czasem są wręcz mobilne, w specjalne okulary, na których będą wyświetlane informacje, np. związane z bezpieczeństwem. Rozwiązania takie na pewno mogą się sprawdzić w warunkach, gdzie jest wysoki poziom hałasu i sygnalizacja dźwiękowa nie jest skuteczna. Podsumowując moşna stwierdzić, şe w temacie wprowadzenia robotów współpracujących do praktyki zastosowań przemysłowych jest wciąş wiele do zrobienia. Obecnie oferowane na rynku komercyjnym konstrukcje umoşliwiają realizacje wybranych zadań, głównie z obszaru „material handling�. Instalacje te muszą spełniać obowiązujące obecnie wymagania w zakresie parametrów technicznych, cech uşytkowych, jak teş warunków bezpiecznej pracy. Poniewaş tematyka robotów współpracujących jest dzisiaj bardzo popularna w mediach, zarówno za sprawą przedstawicieli sektora nauki i badań, publicystów, jak teş firm komercyjnych, traktujących fora dyskusji publicznej jako pola działań marketingowych, obecny lub przyszły (potencjalny) uşytkownik tego typu rozwiązań ma wielki kłopot z dotarciem do wiarygodnej informacji, podanej w przystępny sposób. Trudno oczekiwać, şe przedsiębiorcy będą sami studiowali dokumenty normalizacyjne lub prawne w tej dziedzinie, z uwagi na ich mnogość, częste zmiany i utrudniony/kosztowny dostęp (dostęp do norm jest płatny). Dlatego waşną rolą jednostek badawczych, szczególnie pracujących na rzecz programów finansowanych ze środków budşetowych, jest upowszechnianie rzetelnej wiedzy odnośnie stanu uregulowań prawnych i standaryzacyjnych oraz promowanie dobrych praktyk w całym temacie automatyzacji/robotyzacji, ze szczególnym uwzględnieniem robotów współpracujących. Transfer do gospodarki innowacyjnych, efektywnych rozwiązań z dziedziny „collaborative robots�, zapewniających bezpieczne warunki pracy, a jednocześnie umoşliwiających poprawę konkurencyjności krajowych podmiotów na rynkach globalnych jest jednym z celów projektu „Innowacyjne rozwiązanie techniczne umoşliwiające bezpieczne współdziałanie człowieka z robotem przemysłowym w jego obszarze roboczym� [21]. Niewątpliwie moşna się spodziewać rewizji lub zmian niektórych norm i przepisów, jednak jest to proces długotrwały i póki nowe wersje czy całe dokumenty nie zostaną przyjęte do naszego systemu prawodawstwa, ich stosowanie moşe być co najwyşej przedmiotem dyskusji lub badań.

. 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 – 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. 17–22, 1996, 433–439. 6. Dyrektywa 2006/42/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 17 maja 2006 r. w sprawie ujednolicenia przepisĂłw dotyczÄ…cych maszyn (Dyrektywa maszynowa MD, z ang. Machinery Directive). 7. Peshkin M., Colgate J.E.: Cobots, “Industrial Robotâ€?, Vol. 26, No. 5, 1999, 335–341, 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 – 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 — Safety requirements for industrial robots — Part 1: Robots. 12. ISO 10218-2:2011, Robots and robotic devices — Safety requirements for industrial robots — Part 2: Robot systems and integration. 13. ISO/TS 15066:2016(E) Robots and robotic devices – Collaborative robots. 14. Strona komitetu technicznego ISO/TC 299 Robotics – [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 – IRB 14000

[new.abb.com/products/robotics/pl/roboty-przemyslowe/yumi]. 18. [www.kuka.com/pl-pl/produkty-i-usługi/systemy-robotów/roboty-przemysłowe/lbr-iiwa] – KUKA/roboty LBR iiwa. 19. [www.fanuc.eu/pl/pl/roboty/robot-strona-filtrowania/ roboty-współpracujące] – Fanuc – roboty współpracujące. 20. Rethink Robotics – [www.rethinkrobotics.com].

21. Innowacyjne rozwiązanie techniczne umoşliwiające bezpieczne współdziałanie człowieka z robotem przemysłowym w jego obszarze roboczym, [www.safe-collab-rob.piap.pl].

Opracowano na podstawie wyników IV etapu programu wieloletniego „Poprawa bezpieczeństwa i warunków pracy�, finansowanego w latach 2017–2019 w zakresie badań naukowych i prac rozwojowych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyşszego/Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Koordynator programu: Centralny Instytut Ochrony Pracy – Państwowy 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

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

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 @ " %

FŒ

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?%@ ‹KKP?FP

B E " 7 E M Q 3 > " 8 > " " M 8> > % ' " ,&, &,@4.6 /

% W artykule przedstawiono problematykę robotyzacji małych i średnich przedsiębiorstw produkcyjnych w Polsce, w szczególności z uwzględnieniem robotów kooperacyjnych i kolaborujących. Omówiono aktualne światowe trendy rozwoju robotyki przemysłowej w tych właśnie obszarach. Jednocześnie podniesiono aspekt bezpieczeństwa, jako najistotniejszego elementu bezpośredniej interakcji człowieka z robotem. Zaprezentowano zdobywające coraz większą popularność kierunki współpracy człowieka i robota, które są w praktyce realizowane na stanowiskach produkcyjnych. Pierwszy z nich to kooperacja, rozumiana jako współpraca człowieka z robotem, w wykonaniu niemal standardowym – w wersji sterowania zwanej potocznie safety – bez ogrodzeń. Z kolei drugi, to kolaboracja i pod tym pojęciem rozumie się współpracę człowieka „ramię w ramię�, z robotem. ) 0 $ ! $ Z% $ $ $ ! $ Z% $ $

1. Historia robotyki z punktu widzenia Termin „robotâ€? wywodzi siÄ™ z Czech. Po raz pierwszy tego okreĹ›lenia uĹźyĹ‚ w 1921 r. czeski pisarz Karel Ĉapek w sztuce Roboty uniwersalne Rossuma (R.U.R). PojÄ™cie to okreĹ›laĹ‚o maszynę–niewolnika, ktĂłra zastÄ™powaĹ‚a czĹ‚owieka w najbardziej uciÄ…Ĺźliwych zajÄ™ciach [1]. Z kolei sĹ‚owo „robotykaâ€? po raz pierwszy zastosowaĹ‚ 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‚ug ktĂłrych powinny być programowane roboty: − Robot nie moĹźe zranić istoty ludzkiej, ani nie moĹźe przez zaniedbanie narazić czĹ‚owieka na zranienie. − Robot musi speĹ‚niać polecenia wydawane przez czĹ‚owieka, poza poleceniami sprzecznymi z prawami o wyĹźszym priorytecie. − Robot musi chronić samego siebie dopĂłki, dopĂłty nie jest to sprzeczne z prawem o wyĹźszym priorytecie [1].

$ ' 0 Y / ) % $ *.%*,%,&*- % &+%&,%,&*. % ! "" # $%&

Nieco później ten sam autor okreĹ›liĹ‚ nadrzÄ™dne prawo (prawo zerowe), wedĹ‚ug ktĂłrego robot nie moĹźe skrzywdzić ludzkoĹ›ci, ani przez zaniechanie dziaĹ‚ania doprowadzić do uszczerbku ludzkoĹ›ci. Zasady, wedĹ‚ug ktĂłrych miaĹ‚y dziaĹ‚ać inteligentne roboty, powstaĹ‚y duĹźo wczeĹ›niej zanim zostaĹ‚o skonstruowane pierwsze takie urzÄ…dzenie. Dopiero w 1954 r. amerykaĹ„ski konstruktor George Devol, przy współpracy z Josephem Engelbergerem, stworzyĹ‚ pierwszy egzemplarz programowanego robota, ktĂłry zostaĹ‚ opatentowany dwa lata później. NastÄ™pnie zaĹ‚oĹźyli oni firmÄ™ Unimation Incorporation, ktĂłra jako pierwsza zaczęła produkować roboty przemysĹ‚owe. Pierwszy robot przemysĹ‚owy nosiĹ‚ nazwÄ™ UNIMATE (od nazwy jego producenta – firmy UNIMATION) i zostaĹ‚ uruchomiony na linii produkcyjnej samochodĂłw w jednej z fabryk General Motors w 1961 r. Przyjmuje siÄ™, Ĺźe to wĹ‚aĹ›nie wydarzenie z 1961 r. staĹ‚o siÄ™ poczÄ…tkiem rozwoju robotyki jako dziedziny wiedzy [2]. Prawa wymyĹ›lone przez Asimowa zakĹ‚adajÄ…ce, iĹź robot bÄ™dzie miaĹ‚ prawa i bÄ™dzie potrafiĹ‚ podejmować decyzje, a tym bardziej przewidywać skutki swoich dziaĹ‚aĹ„, zostaĹ‚y przyjÄ™te zanim pojawiĹ‚ siÄ™ pierwszy robot. Na poczÄ…tku byĹ‚y mocno krytykowane, mimo Ĺźe niosĹ‚y wyraĹşny przekaz, iĹź czĹ‚owiek jest w hierarchii duĹźo wyĹźej niĹź sam robot i bezpieczeĹ„stwo czĹ‚owieka jest najwaĹźniejszym aspektem. Dopiero w 2004 r. podczas targĂłw robotyki w Fukuoka w Japonii sformuĹ‚owano uwspółczeĹ›nione prawa robotyki: 1. Roboty nastÄ™pnej generacji bÄ™dÄ… partnerami współegzystujÄ…cymi z istotami ludzkimi. 2. Roboty nastÄ™pnej generacji bÄ™dÄ… pomagać istotom ludzkim, zarĂłwno fizycznie jak i psychologicznie. 3. Roboty nastÄ™pnej generacji bÄ™dÄ… współuczestniczyć w tworzeniu bezpiecznej i pokojowej spoĹ‚ecznoĹ›ci.

67

< $ > $ ! ] ! %

Rys. 1 Porównanie miejsca zajmowanego przez stanowisko w przypadku tradycyjnej celi oraz celi z kobotem. Na lewym rysunku, na pomarańczowo i szaro zaznaczony jest obszar pracy robotów, który winien znajdować się wewnątrz ogrodzonego stanowiska. Po prawej stronie ta sama instalacja z wykorzystaniem kobotów Fig. 1. Required space for Coexistence and Cooperation/Collaboration. On the left picture (orange and gray), the robot’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, iş powstanie nowej generacji robotów było juş tylko kwestią czasu, zaczęto powaşnie myśleć o robotyce, w szczególności o stosunkach człowieka z obiektami obdarzonymi sztuczną inteligencją. Po raz pierwszy pojęcie to zostało wprowadzone w 2002 r. przez prezesa European Robotics Research Network (EURON) Gianmarco Veruggio. W 2006 r. powstał pierwszy dokument, ogłoszony w Genewie przez EURON Roboethics Roadmap, wskazujący na cele i zagadnienia, którymi musi zająć się ludzkość, aby harmonijnie współpracować ze sztuczną inteligencją [3]. Analizując historię robotyki w przemyśle moşna zauwaşyć, şe początkowo celem było tylko odsunięcie człowieka od niebezpiecznego lub şmudnego procesu produkcyjnego. Roboty w przemyśle miały zastąpić człowieka przy wykonywaniu prac monotonnych i powtarzalnych. Miały przenosić cięşary, pracować w środowisku groźnym dla zdrowia i şycia człowieka. Jednak musiały być odseparowane od człowieka by zapewnić bezpieczeństwo pracy. Specjalne bariery wejścia w obszar pracy robota wraz z systemami alarmującymi były (i nadal w duşej części są) nieodłącznym elementem stanowisk zrobotyzowanych. Stąd teş, ze względu na charakter pracy w przemyśle, robot zawsze był uwaşany za maszynę silną, cięşką i stanowiącą potencjalne zagroşenie. Obecnie robotyka jest jedną z najbardziej dynamicznie rozwijających się dziedzin nauki i przemysłu. Śmiało wkracza niemal w kaşdy obszar naszego şycia pokonując kolejne bariery, zarezerwowane w przeszłości dla człowieka. Dzieje się tak z dwóch powodów. Pierwszym z nich jest coraz lepsza mechanika robotów. Nowe materiały, napędy, stosowanie złoşonych obliczeń dla optymalizacji konstrukcji robotów sprawiają, şe konstrukcje robotów lepiej odpowiadają na stawiane im wymagania. Coraz większa dostępność i funkcjonalność systemów współpracujących z manipulatorami umoşliwia stosowanie w nowych branşach. Nowe typy coraz lepszych czujników, systemy wizyjne i inne rozwiązania techniczne pozwalają na coraz szersze i śmiałe implementowanie rozwiązań zrobotyzowanych w miejscach, w których do chwili obecnej takie wdroşenia nie były moşliwe. Drugą przyczyną (ale zdecydowanie bardziej istotną niş pierwsza) wciąş rosnącej popularności systemów zrobotyzowanych są tworzone nowe i doskonalsze systemy sterowania. Systemy sterowania, kontroli, a przede wszystkim pewność ich działania, odporność na błędy, stosowana redundancja tak programowa jak i wyposaşenia, stoją za nowymi kierunkami rozwoju robotyki w kooperacji i kolaboracji. Roboty kolaborujące, pracujące ramię w ramię z człowiekiem, coraz częściej zwane są kobotami (ang. cobot). Aktualne potrzeby krajowych firm w zakresie optymalizacji aplikacji zrobotyzowanych

FO

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

Obecny rynek standardowych rozwiÄ…zaĹ„ zrobotyzowanych stanowisk produkcyjnych jest relatywnie stabilny. MoĹźna dodać, Ĺźe rynek polski naleĹźy do dynamicznie rozwijajÄ…cych siÄ™, wciÄ…Ĺź jednak pozostajÄ…c w tyle za europejskÄ… czoĹ‚ĂłwkÄ… w tym obszarze. Roboty pracujÄ…c na róşnych stanowiskach wyrÄ™czajÄ… w trudnych i niebezpiecznych pracach czĹ‚owieka. BezpieczeĹ„stwo jest zapewnione przez odizolowanie czĹ‚owieka od obszaru pracy robota. Tym samym rozwiÄ…zania takie prezentujÄ… zalety zwiÄ…zane z peĹ‚nymi moĹźliwoĹ›ciami wykorzystania parametrĂłw technicznych manipulatorĂłw. Okupione jest to relatywnie duĹźym zapotrzebowaniem na powierzchniÄ™ stanowiska i brakiem moĹźliwoĹ›ci, choćby minimalnej współpracy czĹ‚owieka z robotem. Aby taka wspĂłlna praca mogĹ‚a mieć miejsce, w obszarze pracy manipulatora, w tradycyjnym pojmowaniu stanowisk zrobotyzowanych, winno dojść do zatrzymania systemu automatyki. Jest to zdanie nieco na wyrost – nawet w przeszĹ‚oĹ›ci moĹźliwe byĹ‚o współdziaĹ‚anie czĹ‚owieka z robotem, w obszarze pracy tego ostatniego, jednak z silnÄ… detekcjÄ… takiego stanu, np. za pomocÄ… wyĹ‚Ä…cznikĂłw kraĹ„cowych itp. rozwiÄ…zaĹ„ bezpiecznych. Kolejnym parametrem istotnym dla przedsiÄ™biorcy w procesie produkcji, jest oczywiĹ›cie nadal wydajność i wykorzystanie mocy produkcyjnych. Natomiast nowa jest potrzeba otwartoĹ›ci systemĂłw automatyzacji, zwiÄ™kszanie ich moĹźliwoĹ›ci adaptacyjnych do zmieniajÄ…cych siÄ™ wymagaĹ„ i potrzeb klientĂłw, w kontekĹ›cie produktu. Powoli normÄ… staje siÄ™ nie produkcja masowa, ale spersonalizowana. Pod tym pojÄ™ciem rozumie siÄ™ produkcjÄ™ nadal znacznych wolumenĂłw wyrobĂłw, ale np. jednorazowo w mniejszych partiach, z czÄ™stymi zmianami asortymentu, w wariantach, czy to kolorystycznych, czy to wyposaĹźenia danego produktu itp. Na tym tle niemal koniecznoĹ›ciÄ… staje siÄ™ takie projektowanie i wykonawstwo systemĂłw automatyki i robotyki, by odpowiadaĹ‚y na te wĹ‚aĹ›nie potrzeby. PewnÄ… odpowiedziÄ… na tak postawione wymaganie moĹźe być dopuszczenie czĹ‚owieka w obszar pracy robota dla zrealizowania pewnej części montaĹźu, ktĂłry nie zawsze wystÄ™puje w toku produkcji detalu i nie podlega automatyzacji. PrzedsiÄ™biorcy coraz gĹ‚oĹ›niej mĂłwiÄ… o tym, Ĺźe najwaĹźniejsza dla nich oprĂłcz wydajnoĹ›ci staje siÄ™ elastyczność systemu, maksymalne skrĂłcenie czasu jego przezbrajania. Coraz częściej o przewadze konkurencyjnej nie decyduje tylko cena, ale teĹź szybkość dostawy, gwarancja jakoĹ›ci, elastyczność dostaw i czas reakcji na okreĹ›lone zamĂłwienie. Aby utrzymać pozycjÄ™ na rynku, niemal koniecznym staje siÄ™ coraz bardziej indywidualne podejĹ›cie do realizacji zleceĹ„, w ich czasowo zmieniajÄ…cej siÄ™ róşnorodnoĹ›ci. Na tym tle nowego znaczenia nabiera czas realizacji zmĂłwienia, ktĂłry na nowo staje siÄ™ przedmiotem gry rynkowej. A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

A Coraz droĹźsza rĂłwnieĹź staje siÄ™ powierzchnia produkcyjna oraz magazynowa, szczegĂłlnie w bezpoĹ›rednim sÄ…siedztwie duĹźych miast. Tym samym rĂłwnie waĹźnÄ… obecnie potrzebÄ…, jak duĹźa elastyczność, jest taka organizacja produkcji, rotacji zapasĂłw i produktu, aby takĹźe tutaj minimalizować nakĹ‚ady. Optymalizacja miejsca na linie produkcyjne oraz najlepsze wykorzystanie powierzchni magazynowych sÄ… obecnie bardzo wysoko na liĹ›cie potrzeb producentĂłw. Coraz droĹźsza jest sama praca, wciÄ…Ĺź rosnÄ…ce pĹ‚ace stanowiÄ… ekonomicznÄ… presjÄ™ na przedsiÄ™biorcĂłw. Tym samym w ten nurt siĹ‚Ä… rzeczy musi wpisywać siÄ™ krajowa robotyzacja. W takim przypadku niezwykle pomocne okazujÄ… siÄ™ zaawansowane systemy sterowania i kontroli na kaĹźdym etapie produkcji. Elektroniczny nadzĂłr pozwala jednoczeĹ›nie na optymalne wykorzystanie maszyn do realizacji zamĂłwieĹ„, jak i przestrzeni magazynowej do skĹ‚adowania materiaĹ‚Ăłw i produktĂłw. Nawet w niewielkiej firmie produkcyjnej wprowadzenie optymalizacji funkcjonowania stanowisk zrobotyzowanych, powiÄ…zanych z danymi o stanach magazynowych, zamĂłwieniach itd. jest istotnym skĹ‚adnikiem obecnoĹ›ci na rynku, utrzymania siÄ™ na nim, a takĹźe zwiÄ™kszania w nim udziaĹ‚u. PodsumowujÄ…c, aktualne potrzeby krajowych przedsiÄ™biorcĂłw nie tylko ograniczajÄ… siÄ™ do postawienia stanowiska zrobotyzowanego w zakĹ‚adzie produkcyjnym, w jego fizycznej postaci, ale teĹź wypracowania algorytmĂłw sterowania i kontroli, ktĂłre caĹ‚y cykl Ĺźycia produktu (usĹ‚ugi) wprowadzÄ… na tory optymalnego wykorzystania wszystkich zasobĂłw. Jakie zmiany winny być wprowadzane oraz na czym polega istota modernizacji w obszarach optymalizacji instalacji zrobotyzowanych w relacji do wyĹźej przytoczonych zmieniajÄ…cych siÄ™ uwarunkowaĹ„ zewnÄ™trznych? JednÄ… z moĹźliwych odpowiedzi, na tak postawione pytanie jest teza, Ĺźe przedsiÄ™biorcom, szczegĂłlnie obecnie, zaleĹźy na minimalizacji miejsca zajmowanego przez stanowisko, przy zachowaniu peĹ‚nych jego wartoĹ›ci technicznych. Jednym z moĹźliwych k.ierunkĂłw osiÄ…gniÄ™cia takiego efektu jest skorzystanie z silnie rozwijanego obecnie kierunku bliskiej współpracy czĹ‚owieka z maszynÄ…. Aplikacje zrobotyzowane tym samym winny speĹ‚niać takie wymagania techniczne i formalne, by moĹźliwe byĹ‚o ich bezpieczne uĹźytkowanie, przy zaĹ‚oĹźonej minimalnej przestrzeni potrzebnej do ich poprawnego technicznie funkcjonowania. Systemy wizyjne, skanery, maty naciskowe, czujniki w poĹ‚Ä…czeniu z szafami sterowniczymi robotĂłw wykonanymi w wersji „safetyâ€? pozwalajÄ… na minimalizacjÄ™ miejsca potrzebnego pod aplikacjÄ™, przy zachowaniu niemal peĹ‚nej funkcjonalnoĹ›ci systemu standardowego. W obszarze szaf sterowniczych dedykowanych do współpracy z czujnikami i systemami wykrywajÄ…cymi obecność czĹ‚owieka w strefie pracy manipulatora, moĹźna spotkać siÄ™ z róşnymi rozwiÄ…zaniami programowymi i wyposaĹźenia,

które pozwalają na bezpieczne podłączenie systemów czujników zgodnie z wymaganiami przepisów prawa. Systemy takie umoşliwiają pracę robota w przestrzeni, w której moşe pojawić się człowiek, bazując tylko na sygnałach pochodzących z czujników, skanerów i mat.

# +

!

&7 , ' E Nowy typ robotĂłw współpracujÄ…cych z czĹ‚owiekiem – kobotĂłw, zaprezentowano na targach branĹźowych juĹź w 2013 r. Obecnie na rynku, oprĂłcz prekursora kierunku – firmy Universal Robots, oferujÄ… je prawie wszyscy czoĹ‚owi producenci tradycyjnych robotĂłw przemysĹ‚owych. WedĹ‚ug MiÄ™dzynarodowej Federacji Robotyki (IFR) nastÄ…pi wzrost wartoĹ›ci rocznej sprzedaĹźy robotĂłw przemysĹ‚owych na caĹ‚ym Ĺ›wiecie o Ĺ›rednio 15% rocznie w latach 2018–2020 [4]. Dla robotĂłw współpracujÄ…cych prognozy te sÄ… jeszcze lepsze. WedĹ‚ug firmy Transparency Market Research Ĺ›rednioroczny wzrost do 2024 r. wyniesie 30%. WedĹ‚ug prognoz wartość Ĺ›wiatowego rynku robotĂłw współpracujÄ…cych zwiÄ™kszy siÄ™ z 116 mln dolarĂłw w 2016 r. do 950 mln dolarĂłw w 2024 r. [5]. Koboty sÄ… przeznaczone do bezpoĹ›redniej współpracy z czĹ‚owiekiem, powinny wiÄ™c zachÄ™cać do tego juĹź samym swoim wyglÄ…dem. PoszczegĂłlni producenci wprowadzajÄ…c kolejne roboty tego typu zmieniajÄ… ich wyglÄ…d na bardziej przyjazny dla czĹ‚owieka. KsztaĹ‚t i wyglÄ…d ramienia robota jest bardziej opĹ‚ywowy, bez Ĺźadnych wystajÄ…cych elementĂłw, dodatkowo powierzchnia robotĂłw czÄ™sto pokryta jest specjalnym materiaĹ‚em, np. miÄ™kkim tworzywem. WyposaĹźone sÄ… w specjalne systemy wykrywajÄ…ce wartoĹ›ci siĹ‚ wywieranych na ramiÄ™, ktĂłre zapewniajÄ… w sprzęşeniu zwrotnym, ograniczenie uĹźycia siĹ‚y w przypadku kolizji z czĹ‚owiekiem. Obecnie roboty ze wzglÄ™dĂłw bezpieczeĹ„stwa dysponujÄ… niewielkimi mocami, maĹ‚ym udĹşwigiem, sÄ… lekkie i „wraĹźliweâ€?. DziÄ™ki integracji ukĹ‚adĂłw sensorycznych, systemĂłw bezpieczeĹ„stwa, dostosowanych do współpracy z czĹ‚owiekiem oraz lekkiej konstrukcji, mogÄ… z wyczuciem pracować w bezpoĹ›rednim kontakcie z czĹ‚owiekiem. Wprowadzenie robotĂłw współpracujÄ…cych spowodowaĹ‚o rĂłwnieĹź istotne zmiany w sposobie programowania manipulatorĂłw. Celem byĹ‚o, aby w powiÄ…zaniu z przyjaznoĹ›ciÄ… fizycznej konstrukcji robota, wystÄ™powaĹ‚o takĹźe maksymalne uĹ‚atwienie programowania. WiÄ™kszość z dostÄ™pnych robotĂłw współpracujÄ…cych moĹźna tym samym programować przez bezpoĹ›rednie uczenie, czyli rÄ™czne prowadzenie robota po trajektorii, jakÄ… powinien później realizować. NowoĹ›ciÄ…, ktĂłrÄ… wprowadza robotyka współpracujÄ…ca jest znakomite upraszczanie programowania, dla maksymalnego uĹ‚atwienia uruchamiania robota do nowych aplikacji

Rys. 2 Roczne globalne dostawy robotów przemysłowych w latach 2008–2016 i 2017–2020 [4] Fig. 2. Annual global delivery, industrial robots in years 2008–2016 and 2017–2020 [4]

Fa

< $ > $ ! ] ! %

Osobne przestrzenie pracy

Aplikacje

(brak interakcji)

Przetwarzanie sekwencyjne

Rys. 3 Wizualizacja róşnych form stanowisk zrobotyzowanych, z punktu widzenia współpracy z czĹ‚owiekiem Fig. 3. Visualization of various forms of robotic applications, from the point of view of cooperation with people

Jednoczesne przetwarzanie

i adaptacji programu – w przypadku zmiany asortymentu – dla instalacji juş istniejących. Dodatkowym czynnikiem wpływającym na atrakcyjność rozwiązań związanych z niewielkimi robotami współpracującymi jest moşliwość pracy w małej przestrzeni produkcyjnej. Obecnie roboty te mają pewne ograniczenia w stosunku do tradycyjnych w manipulatorów przemysłowych. Dotyczą one dwóch waşnych kwestii – udźwigu robota i szybkości ruchu w bezpośredniej bliskości człowieka [6]. Roboty kolaboracyjne nadają się więc do aplikacji operowania detalami o relatywnie niewielkich masach z niewielkimi szybkosciami. Podkreślić naleşy, şe bliska współpraca robot–człowiek, jest jednym z zasadniczych kierunków rozwoju współczesnych robotów. Ostatnio niemal wszędzie słychać głosy o inteligentnych robotach współpracujących i ten trend wyraźnie nabiera tempa. Jednocześnie, moşna powiedzieć równolegle rozwija się tzw. kooperacja czyli bezpieczna praca człowieka z robotem bez wygrodzeń. Tutaj człowiek wraz z robotem występują we wspólnej przestrzeni roboczej, lecz nie występuje między nimi şadna interakcja. Nie ma wątpliwości, şe największym wyzwaniem, gdy mowa o współpracy człowieka z robotem, jest zapewnienie najwyşszego poziomu bezpieczeństwa dla operatora, przy jednoczesnej maksymalizacji wykorzystania parametrów pracy robotów – zarówno dla stanowisk kooperacyjnych, gdzie w chwili ingerencji człowieka w obszar pracy robota, dochodzi do bezpiecznego zatrzymania pracy manipulatora, musi być ten ubytek wydajności wzięty pod uwagę. Jednocześnie zaletą takiego rozwiązania jest otwarty dostęp do niemal pełnej gamy robotów przemysłowych, w szczególności ich udźwigów, zasięgów i prędkości. Stanowisko zrobotyzowane gwarantuje minimalizację przestrzeni potrzebnej do pracy, co odbywa się kosztem zmniejszenia wydajności pracy instalacji, jak i moşliwość pracy człowieka z robotem (zatrzymanym), co jest przydatne w systemach podawania detali delikatnych, które człowiek umieszcza ręcznie w bezpośrednim obszarze pracy robota. Gdy w toku realizacji procesów produkcji występuje konieczność bezpiecznej interakcji we wspólnej przestrzeni roboczej człowieka z robotem (robot jest tzw. trzecią ręką), najlepszym rozwiązaniem jest wdroşenie stanowiska z kobotem. Ceną za taki komfort funkcjonowania stanowiska człowiek–robot, jest dostosowanie się do udźwigów manipulatorów na poziomie do 35 kg i optymalizacja prędkości do bezpiecznej przy danym udźwigu manipulatora. W przypadku pracy z tradycyjnym robotem bez wygrodzeń waşne jest zapewnienie bezpiecznej pozycji, zatrzymania i bez-

PG

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

piecznej prędkości pracy robota uzaleşnionej od odległości na linii człowiek–robot.

4. Normy oraz wytyczne w zakresie HRC Zanim powstała finalna wersja normy dotycząca bezpieczeństwa robotów i systemów zrobotyzowanych minęło kilkadziesiąt lat od pojawienia się pierwszego ich przedstawiciela. Przygotowanie właściwego, znormalizowanego dokumentu dotyczącego tego waşnego aspektu, jakim jest bezpieczeństwo, wymagało poznania zagroşeń, a w rzeczywistości badań nad ich źródłami. W 2011 r. została opublikowana dwuczęściowa norma zasadnicza ISO 10218-1 i 2. Pierwsza część ISO 10218-1 dotyczy samych robotów, a druga ISO 10218-2 obejmuje systemy zrobotyzowane. Normy te zawierają wytyczne i wymagania bezpieczeństwa dotyczące tradycyjnych robotów przemysłowych. Nie uwzględniono w nich tym samym kobotów – robotów współpracujących, dlatego w połowie lutego 2016 r. jako uzupełnienie do tej normy opublikowano specyfikację techniczną ISO/TS 15066. Dokument zawiera wytyczne dla aplikacji przemysłowych, w których robot i człowiek pracują obok siebie, ramię w ramię [7]. W specyfikacji ISO/TS 15066 wyszczególniono cztery rodzaje (rys. 5) instalacji współpracujących (ang. collaborative operations) [8]: 1. Bezpieczeństwo oceniane – monitorowane zatrzymanie (ang. safety-rated monitored stop) – zatrzymanie jest zapewnione bez konieczności wyłączania mocy; w tym przypadku człowiek i system robotyczny nie mogą poruszać się w jednym czasie. 2. Prowadzenie ręczne (ang. hand-guiding) – ręcznie sterowany system robotyczny, system robotyczny i człowiek mogą poruszać się jednocześnie; kobot jest kontrolowany przez operatora. 3. Monitorowanie prędkości i oddzielania (ang. speed and separation monitoring) – prędkość systemu robotycznego będzie sterowana w oparciu o odległość między nim a intruzem. Obecnie wykorzystywane są do tego urządzenia zewnętrzne, m.in. skanery i czujniki wizyjne, które w przyszłości będą zintegrowane z systemem robotycznym. W tym przypadku człowiek i robot współpracujący mogą poruszać się jednocześnie. System robotyczny zwolni w miarę zblişania się do obiektu. Moşliwe jest zatrzymanie przed obiektem lub uderzenie z siłą określoną w specyfikacji. 4. Ograniczenie mocy i siły (ang. power and force limiting) – prędkość, moment obrotowy i ruch sterowane są w taki sposób, şe ból nie będzie odczuwalny lub człowiek nie zostanie A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

A zraniony. W tym przypadku system robotyczny i człowiek pracują jednocześnie, a siła, prędkość i ruch są w pełni kontrolowane – aplikacja nie spowoduje bólu czy uszkodzenia ciała, nie ma teş potrzeby stosowania dodatkowych tradycyjnych zabezpieczeń, klatek, systemów czujników. Parametry są określane na podstawie analizy ryzyka.

[ $ & % , 3C. Od początku istnienia roboty spawały, zgrzewały, przenosiły, malowały i realizowały inne czynności, które wykonują równieş obecnie. Zmianą znaczącą jest rozwój kobotów, który przyczynia się do powstawania nowej jakości w wykorzystaniu robotów przemysłowych. Rosnące wymagania klientów i globalna konkurencja to czynniki, które powodują, şe jest koniecznością szybkie reagowanie MŚP na nowe potrzeby. W szczególności podmioty właśnie z tego obszaru winny stawiać na dynamikę w dostosowaniu się do potrzeb i wymagań ich klienta w zakresie szybkości i zmienności zamówień. Obecnie dla odbiorcy powoli zmniejsza się znaczenie ceny, a najwaşniejszym parametrem staje się czas dostawy i moşliwość wprowadzania personalizacji w produktach (ciekawym przykładem mogą być np., imienne kalendarze ksiąşkowe, gdzie z bazy danych pobierane są dane osoby i nanoszone na okładkę). W ogólnym obrazie krajowego rynku kształtuje się podział na firmy duşe lub bardzo duşe o znacznej bezwładności, niewielkiej podatności na szybkie zmiany w procesie produkcji, czy w samym produkcie oraz na firmy MŚP, które swoją główną przewagę konkurencyjną budują na moşliwości szybkiego dostosowania się do zmieniających wymagań klienta. Krótsze czasy dostaw oraz personalizowanie wyrobów sprawiają, şe firmy takie będą w tym obszarze swoje pozycje umacniać. Jednocześnie pewnym zagroşeniem, paradoksalnie, moşe być wdraşanie przez największych graczy w danej branşy idei Przemysłu 4.0. U podstaw tego kierunku leşy właśnie adaptacyjność i personalizacja produkcji masowej. Polskie przedsiębiorstwa, aby móc sprawnie działać na globalnym rynku, muszą oferować pod wieloma względami konkurencyjne produkty. Liczy się właśnie jakość, czas, wydajność, indywidualne podejście do klienta i innowacyjny produkt, i tu zastosowanie kobotów wydaje się idealnym rozwiązaniem. Roz-

wiązaniem niemal doskonałym, takşe z punktu widzenia przyjętej filozofii samych producentów kobotów, związanej równieş z upraszczaniem procesu programowania. Zmiana asortymentu, wejście nowego typu produktu, krótkiej partii wyrobu itp. musi być procesem wysoko zautomatyzowanym (zrobotyzowanym), ale teş powinno minimalizować nakład czasu na nowe uruchomienie. Skupiając się na pracy samych robotów, nie sposób odejść od idei procesu produkcji, która określa drogę produktu do finalnego wyrobu. Od jego wersji surowej, elementów podstawowych i składowych po obróbkę, kształtowanie, konfekcjonowanie produktów itp., aş do docelowego wyrobu. Tym samym roboty umieszczone w danym miejscu procesu współpracują ze sobą albo z innymi maszynami, ale teş bardzo często z człowiekiem. Człowiek jest nie tylko operatorem stanowiska, ale czynnym uczestnikiem procesu produkcji, który odpowiada takşe za poprawny montaş bardziej skomplikowanego mechanizmu, poprawne pomalowanie elementu itp. Nasuwa się pytanie, czy polskie MŚP są gotowe, aby pominąć wcześniejsze etapy automatyzacji, robotyzacji i wprowadzić w swoich zakładach innowacyjne koboty, bez wygrodzeń, które będą pracowały nie tylko obok człowieka, ale „ramię w ramię� z nim? Oczywiście aspekty techniczne stanowią w tym momencie coraz mniejszą barierę we wdraşaniu tego typu rozwiązań. Dochodzimy jednak do waşnego elementu, czyli płaszczyzny społecznej współpracy człowieka z robotem – w jakim stopniu pracownicy są gotowi na akceptację pracy w tak bliskim sąsiedztwie z urządzeniem? Moşna wyobrazić sobie zakład produkcyjny, w którym do tej pory nie było zaawansowanych maszyn, robotów i nagle na linii, na której pracują ludzie są instalowane koboty. Jest to wyzwanie dla wszystkich uczestników procesu. Zarówno dla integratorów, którzy biorą odpowiedzialność za właściwe zaprojektowanie, wytworzenie, posadowienie i uruchomienie instalacji, jak i, a moşe przede wszystkim dla uşytkowników systemu. Tak na poziomie zarządu firmy (jak się taka instalacja sprawdzi ekonomicznie), jak i w znaczącej części dla bezpośredniej obsługi stanowiska. Znane jest niepokojące uczucie przebywania w poblişu głośnego urządzenia czy elementów mechanicznych, które w bliskości człowieka poruszają się relatywnie szybko. Te uczucia takşe mogą towarzyszyć obsłudze. Powodować pewien niepokój, şe za plecami porusza się robot – nawet jeśli robi to z niewielką prędkością i pewnością zatrzymania w przypadku kolizji.

Rys. 4 Przykłady dostępnych kobotów oferowanych przez czołowych producentów robotów: obecnie – udźwig od 500 g do 35 kg; trend – udźwig od 20 kg do 150 kg Fig. 4. Examples of available cobots, offered by leading robot manufacturers: currently – capacity from 500 g to 35 kg; trend – capacity from 20 kg to 150 kg

PQ

< $ > $ ! ] ! %

Rys. 5. Rodzaje instalacji współpracujących wg ISO/TS 15066:2016 Fig. 5. Types of cooperating installations according to ISO/TS 15066: 2016

Większym wyzwaniem jest praca robotów kooperacyjnych – standardowych, ale pracujących bez ogrodzeń, a zapewniających bezpieczeństwo człowieka przez wprowadzenie oczujnikowanych stref. Strefa detekcji obecności człowieka i zmiana prędkości ruchów roboczych, aş do zatrzymania manipulatora po przekroczeniu danego rewiru przez operatora, o ile dla współpracy z kobotami, komfort pracy, jest w pewnym zakresie zapewniony przez ich niewielkie wymiary, przyjazny wygląd, obłe kształty itp., o tyle dla stanowisk z robotami tradycyjnymi ich praca bez wygrodzenia moşe robić pewne niemiłe wraşenie. Widząc robota o udźwigu nawet „tylko� 300 kg, który operuje dodatkowo elementem o duşych gabarytach i nic poza przestrzenią nie dzieli go od obserwatora, moşna odczuć pewien rodzaj fizycznie namacalnego dyskomfortu. Przykładem realizacji tego typu stanowiska mogła być instalacja, gdzie duşy robot operował na linii produkcyjnej, ale z powodów niewielkiej dostępności przestrzeni, w toku pracy zajmował równieş część pieszego ciągu komunikacyjnego. Moşe nie był to najbardziej uczęszczany obszar hali produkcyjnej, ale silne wraşenia, jakie kaşdorazowo towarzyszyły przechodzącym obok stanowiska, kazały jednak zadać pytanie o w pewnym sensie społeczny i emocjonalny koszt takiej instalacji. Kierunki kolaboracji i kooperacji w robotyce, które są w dającym się obserwować trendzie silnie wznoszącym, najpewniej nie wyprą tradycyjnej robotyki w pełni, ale udział tego typu rozwiązań będzie wciąş rósł. Obecnie wydaje się jesteśmy na etapie wprowadzania do zakładów wytwarzania systemów, które w załoşeniu stosowania rozwiązań technologicznych produkcji nie były dla tych zakładów przewidziane, a to moşe stanowić pewne wyzwanie. Wydaje się jednak, şe z czasem i same procesy oraz technologie będą tak projektowane i realizowane technicznie, aby uwzględniały w samych swoich załoşeniach miejsce dla stanowisk kolaboracji i kooperacji między człowiekiem i robotem. Bardzo krótki czas şycia produktu wymusza daleko idącą elastyczność tak systemów produkcji, jak i technologii. Daje to rezultat w postaci eskalacji şądań ze strony producentów skierowanych do dostawców robotów, by te jak najlepiej odpowiadały na ich potrzeby. I w ten kierunek wpisuje się coraz głośniej podnoszone zapotrzebowanie na prostego i taniego robota o trwałości jedynie takiej, która spełniłaby potrzeby tylko jednego zadania produkcyjnego. Taki robot, dedykowany do projektu produkcyjnego winien takşe być relatywnie łatwo programo-

PK

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

walny, aby uruchomienie linii produkcyjnej 100 jednostek tego typu manipulatorĂłw byĹ‚o zarĂłwno szybkie, jak i kosztowo optymalne ze wzglÄ™du na liczbÄ™ zaangaĹźowanych programistĂłw. Otwartym zatem pozostaje pytanie, czy ktĂłrykolwiek z przedstawionych kierunkĂłw rozwoju robotyki zdobÄ™dzie przewagÄ™, czy raczej bÄ™dzie to rĂłwnolegĹ‚y rozwĂłj wielu kierunkĂłw, odpowiadajÄ…cych tak naprawdÄ™ na bardzo róşne cele realizowane przez dane typy robotĂłw.

6. Etapy wprowadzania bezpiecznej ! & 7 W swoich wcześniejszych załoşeniach systemy automatyzacji i robotyzacji dedykowane były do prac powtarzalnych, gdzie dokładnie określane były parametry wejścia do takiego systemu (wymiary, tolerancje wymiarowe, technologia itp.) i na ogół mocno sformalizowany był takşe rezultat jego pracy. Uzyskana wydajność, wymiarowa dokładność elementów, zgodność z załoşoną technologią były bezpośrednimi parametrami oceny systemu. Obecnie takie podejście ulega zmianie. Nowy trend zakłada większą niş obecnie uniwersalność instalacji, a czasem równieş jej pewną nieokreśloność odnośnie przyszłości eksploatacji. W związku z tym stanowiska zrobotyzowane powinny łatwo poddawać się modernizacjom, a juş niemal warunkiem jest łatwość ich przezbrajania na nowe, nieprzewidziane na etapie integracji rodzaje detali, czy technologii. Załoşeniem nowoczesnych systemów produkcji jest właśnie uniwersalność oraz elastyczność. W znacznej mierze od integratora zaleşy, w jakim stopniu projektowany system spełni oczekiwania inwestora oraz ułatwi jego produkcję, ze szczególnym naciskiem na jej zmienność i personalizację wyrobu docelowego. Krajowe MŚP coraz częściej poszukują przewagi konkurencyjnej na polu czasu reakcji na realizację nowych zamówień, mniejszych wolumenów produktu i ich personalizacji. Tym samym zrobotyzowane systemy produkcji muszą realizować takie właśnie wymagania. Stąd obecnie rosnące wymagania stanowiące wyzwania dla integratorów. Integrator obecnie jest bardziej partnerem przedsiębiorcy na drodze do jego rozwoju, niş tylko firmą usługową. Takie podejście wymaga dobrego kontaktu między stronami oraz duşego zaufania, a o sukcesie projektu stanowią A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 1 /201 8

A korzyĹ›ci pĹ‚ynÄ…ce z pracy wykonywanej Ĺ›ciĹ›le pod potrzeby inweniezwykle waĹźne jest, aby nie tylko elementy systemu zapewstora i realizowanej w sposĂłb zgodny ze sztukÄ… inĹźynierskÄ…. Jak niaĹ‚y bezpieczeĹ„stwo, ale teĹź caĹ‚a instalacja. Oczywistym jest, zatem moĹźe wyglÄ…dać taka współpraca idealna przy realizacji Ĺźe nawet jeĹ›li robot i zamocowany na nim chwytak standardowy aplikacji, ktĂłrej zaĹ‚oĹźeniem jest uniwersalność, Ĺ‚atwość programajÄ… oznaczenie CE, nie oznacza to, Ĺźe takie poĹ‚Ä…czenie jest mowania i bezpieczeĹ„stwo uĹźytkownika? bezpieczne. Na tym tle dla aplikacji współpracujÄ…cych szczePierwszym i niezwykle istotnym etapem jest przeprowadzenie gĂłlnie waĹźne jest takie poĹ‚Ä…czenie elementĂłw i zaprojektowanie audytu technologicznego, w ktĂłrym nadrzÄ™dne miejsce zajmÄ… nowych detali, aby caĹ‚ość instalacji speĹ‚niaĹ‚a niezbÄ™dne warunki wymagania dla instalacji. Jest to niezwykle waĹźny etap przedbezpieczeĹ„stwa. Tutaj decydujÄ… projektanci narzÄ™dzi i oprzyrzÄ…stawiania przez przedsiÄ™biorcÄ™ zakresu prac, jaki realizować ma dowania dla robotĂłw kolaborujÄ…cych. Tu szczegĂłlnie istotne jest system, planowanych sposobĂłw jego wykorzystywania, ze szczeto, aby rĂłwnieĹź narzÄ™dzia, np. elementy chwytajÄ…ce, czy realizujÄ…ce dane technologie, speĹ‚niaĹ‚y zaĹ‚oĹźenia bezpieczeĹ„stwa do gĂłlnym naciskiem i uwzglÄ™dnieniem przewidywanych uniwersalnoĹ›ci instalacji. JuĹź na tym etapie jest istotne, aby integrator pracy z czĹ‚owiekiem. Zdarza siÄ™, Ĺźe ten element projektu stanowi dogĹ‚Ä™bnie rozumiaĹ‚ oczekiwane przez inwestora funkcjonalnoĹ›ci najwiÄ™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™dzy stronami. WysĹ‚uchanie i zrozumienie chwytak przemysĹ‚owy przeznaczony do współpracy z czĹ‚owiepotrzeb to jedno, a naniesienie na nie maski wykonalnoĹ›ci, jest kiem bÄ™dzie dostÄ™pny w Polsce juĹź wiosnÄ… 2018 r. Chwytak dwujuĹź zadaniem integratora. Musi tu dojść do wypracowania pewpalczasty EGP-C bÄ™dzie speĹ‚niaĹ‚ wymagania specyfikacji ISO/ nego kompromisu, miÄ™dzy oczekiwaniami osoby czasem mniej TS 15066, a tym samym, jako jednostka z odpowiednim zĹ‚Ä…czem, zorientowanej technicznie, co do projektu oraz wykonawcy– bÄ™dzie z natury dedykowany do robotĂłw współpracujÄ…cych [9]. integratora w zakresie moĹźliwoĹ›ci technicznych jego przeprowaNieco lepiej wyglÄ…da problem robotĂłw nieogrodzonych, ktĂłre dzenia. PrzekĹ‚ada siÄ™ to bezpoĹ›rednio na dokĹ‚adne okreĹ›lenie realizujÄ… prace bez mechanicznych osĹ‚on, a bezpieczeĹ„stwo budĹźetu wdroĹźenia, jak i po podpisaniu umowy – na etap prozapewnione jest przez systemy sterowania i kontroli. Tutaj rĂłwjektowania instalacji. MoĹźna podsumować: poczÄ…tek współpracy nieĹź naleĹźy zwrĂłcić szczegĂłlnÄ… uwagÄ™ na wyposaĹźenie takiego to wsĹ‚uchanie siÄ™ w potrzeby klienta, urealnienie jego wizji pod stanowiska. Czy wykorzystana peĹ‚na dynamika ruchu robota kÄ…tem moĹźliwoĹ›ci technicznych. Tu pojawia siÄ™ pierwsze wyzwanie bÄ™dzie przyczynÄ… np. wyrzucenia przenoszonego cięşkiego nie dla integratora. Musi on posiadać szerokÄ… i najnowszÄ… wiedzÄ™ przedmiotu, stanowiÄ…c potencjalne zagroĹźenie? O ile samo w danym obszarze. Być Ĺ›wiadomy nowych rozwiÄ…zaĹ„ dostÄ™pnych narzÄ™dzie moĹźe być „mniej bezpieczneâ€?, o tyle caĹ‚ość aplikacji winna zapewniać najwyĹźsze wymagane standardy ochrony. Dla na rynku tak, aby w maksymalnym stopniu speĹ‚nić oczekiwania projektu. ReguĹ‚Ä… jest teĹź, Ĺźe w parze z nowoczesnymi rozwiÄ…zarobotĂłw niekolaboracyjnych, a pracujÄ…cych bez ogrodzeĹ„, jedyniami w dziedzinie sprzÄ™towej idzie rozwĂłj systemĂłw sterowanymi ich osĹ‚onami, sÄ… te programowe. StÄ…d tak waĹźny dla tych nia oraz oprogramowania i, co siÄ™ z tym wiÄ…Ĺźe, wprowadzania projektĂłw aspekt bezpiecznego oprogramowania i sterowania zmian i ulepszeĹ„ w aplikacjach. Coraz bardziej rozbudowane instalacjÄ…, gdyĹź na tym bazuje bezpieczeĹ„stwo pracy caĹ‚ego staalgorytmy i technologie chmur obliczeniowych sprawiajÄ…, Ĺźe przy nowiska. ich pomocy, nawet relatywnie proste rozwiÄ…zanie techniczne znaSam proces posadawiania aplikacji na terenie zakĹ‚adu prokomicie wpisuje siÄ™ w wymagania przedsiÄ™biorcy, w peĹ‚ni zaspodukcyjnego jest rĂłwnieĹź niezwykle istotnym elementem procesu kajajÄ…c jego potrzeby. implementacji stanowisk zrobotyzowanych. Ma on, dla aplikacji, OgĂłlnie moĹźna zauwaĹźyć tendencjÄ™ wĹ›rĂłd samych dostawcĂłw ktĂłre bazujÄ… na współpracy czĹ‚owieka z robotem, nieco inny wyposaĹźenia do oferowania produktĂłw otwartych, podatnych na wymiar niĹź dla robotĂłw oddzielonych od przestrzeni czĹ‚owieka. zmiany, z moĹźliwoĹ›ciÄ… ich rozwoju w przyszĹ‚oĹ›ci, bazujÄ…cego na W przypadku tych pierwszych bardzo waĹźnym aspektem bezpiezmianach jedynie programowych, ktĂłre skutkujÄ… zmianami funkczeĹ„stwa sÄ… systemy sterowania i kontroli, obecność czujnikĂłw i ich wĹ‚aĹ›ciwe oprogramowanie. O ile w przypadku oddzielenia cjonalnoĹ›ci. Dobrym przykĹ‚adem sÄ… nowoczesne spawarki, ktĂłre majÄ… róşne zakresy mocy, a sam system sterowania pozwala czĹ‚owieka od strefy pracy robota to najczęściej sygnaĹ‚ stopu na dogrywanie i rozwĂłj urzÄ…dzenia od podstawowego, do tego awaryjnego, sprzęşony z dedykowanym do tego celu sterowniz zaawansowanymi parametrami kontroli pracy. Wydaje siÄ™, Ĺźe kiem bezpieczeĹ„stwa, zapewnia bezpieczeĹ„stwo, o tyle w przykierunek taki zyska na popularnoĹ›ci i przypadku kooperacji czĹ‚owieka z robotem waĹźne czyni siÄ™ w pewnej mierze do przeniesienia jest takie opracowanie algorytmĂłw systemu funkcjonalnoĹ›ci z poziomu sprzÄ™tu na poziom i sterowania, aby to na tym etapie zapewnione programowania. StÄ…d juĹź tylko krok do np. zostaĹ‚o bezpieczeĹ„stwo. PodsumowujÄ…c, w toku realizacji projektu wykupienia czasowej licencji, na potrzeby konkretnego projektu, dla podniesienia pararobotyzacji procesu produkcji niezwykle metrĂłw uĹźytkowych urzÄ…dzenia, a nastÄ™pnie istotna jest Ĺ›wiadomość uczestnikĂłw procesu powrotu do parametrĂłw „standardowychâ€?. o wzajemnych uwarunkowaniach. To inwestor WiedzÄ™ takÄ… winien mieć wĹ‚aĹ›nie integrator decyduje o parametrach wejĹ›ciowych do prona etapie wspĂłlnego wypracowania zaĹ‚oĹźeĹ„ do jektu, integrator odpowiada za opracowanie projektu, aby optymalizować go pod kÄ…tem techniczne (czasem teĹź technologiczne) rozzarĂłwno parametrĂłw wartoĹ›ci inwestycji, jak wiÄ…zania i uzgodnienie z uĹźytkownikiem docei eksploatacji stanowiska w czasie. lowych, moĹźliwych technicznie do osiÄ…gniÄ™cia W kolejnym kroku, na etapie projektu, parametrĂłw wdroĹźenia. JednoczeĹ›nie to na waĹźne jest, aby zachować ciÄ…gĹ‚Ä… Ĺ›wiadomość firmie wdroĹźeniowej spoczywa takie zapropotrzeb w relacji do moĹźliwoĹ›ci technicznych. jektowanie stanowiska, ktĂłre zapewnia bezPrzechodzÄ…c przez kolejne etapy powstawania pieczne uĹźytkowanie w chwili, gdy zĹ‚oĹźone aplikacji warto zaangaĹźować w proces wdraĹźaw caĹ‚ość poszczegĂłlne, bezpieczne elementy nia projektu rĂłwnieĹź uĹźytkownika, gdyĹź kaĹźdy systemu nie dajÄ… takiej gwarancji. To wysiĹ‚ek etap współpracy winien być przeprowadzany projektantĂłw nadaje instalacji ksztaĹ‚t docew silnym kontakcie z zamawiajÄ…cym. W fazie lowy z finalnym zapewnieniem bezpieczeĹ„stwa Rys. 6. Certyfikowany chwytak firmy projektowania zarĂłwno instalacji, w ktĂłrych Schunk do aplikacji HRC kupionych i zaprojektowanych elementĂłw systemu poĹ‚Ä…czonych w caĹ‚ość funkcjonalzaĹ‚oĹźeniem jest obecność czĹ‚owieka w obszarze Fig. 6. A certified Schunk gripper for pracy robota, jak i robotĂłw kolaborujÄ…cych HRC applications nego rozwiÄ…zania.

Pg

< $ > $ ! ] ! % 2. Staszyński M., Roboty przemysłowe początku wieku, „Projektowanie i Konstrukcje Inşynierskie�, Nr 1/2 (04/05), 2008, 9–17. 3. [https://www.spidersweb.pl/2016/09/roboetyka.html] – 22.12.2017. 4. [https://ifr.org/downloads/press/English_Press_Release_IFR_World_Robotics_Report_2017-09-27.pdf] – 10.12.2017. 5. [https://automatykab2b.pl/gospodarka/10674-rynekrobotow-wspolpracujacych---950-mln-dolarow-w-2024roku#.WlXy-DQiGpr] – 12.12.2017. 6. Kulik J., Ramię w ramię z robotem. Jak współpraca robotów i ludzi ukształtuje robotykę przyszłości, „Automatyka�, 9/2015, 102–103. 7. [https://www.iso.org/news/2016/03/Ref2057.html] – 17.10.2017. 8. [http://automatykaonline.pl/Artykuly/Robotyka/Robotywspolpracujace.-Specyfikacja-techniczna-ISO-TS-15066] – 12.12.2017. 9. Pierwszy przemysłowy certyfikowany chwytak współpracujący, „Automatyka�, Nr 12/2017, 72–73.

Warto na koniec jeszcze raz podkreślić fakt, şe nadanie znaku CE poszczególnym elementom instalacji, nie jest równoznaczne z CE dla całej instalacji. Ma to szczególny wymiar dla stanowisk z robotami kolaboracyjnymi, gdzie ewentualny wypadek moşe być szczególnie dotkliwy z racji bezpośredniej bliskości człowieka i manipulatora oraz trudności w obiektywnej ocenie przez pracownika poprawności pracy instalacji, w tym w szczególności w zakresie bezpieczeństwa. W obecnej chwili śmiało moşna powiedzieć, şe rodzi się nowy rozdział historii robotyki. W tworzonej i wdraşanej idei Przemysłu 4.0, roboty kolaborujące stanowią o nowej jakości systemów produkcji i wytwarzania. Coraz większe moşliwości, tak w aspekcie technicznym, a moşe przede wszystkim sterowania i kontroli, pozwalają robotyce wkraczać na coraz nowe pola aktywności i moşna zaryzykować, şe coraz lepiej do stanu dzisiejszej i przyszłej robotyki pasuje określenie, şe „granicą jest tylko wyobraźnia�.

X & 1. Sciavicco L., Siciliano B., Modelling and Control of Robot Manipulators, Springer – 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 „shoulder to shoulder�, 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

•

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

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

HEš\ @. C b[@ @U \ ›

?% ' %

, ' , 6 ! L ; Pomiary Automatyka Robotyka ! # B E # ; ! B ! ! ; ! @ ; ! @ ?@ ! ! B ! ! ! ] ! ; & 1. 6 ( & wymieniowego Autora & > ! + ^; _ + ! ! @ $ $ ! $ $ $ ; + 2. 6 & 6 ,

7 ‚ 7 jej powstanie > & > ! # $ ! ; B! $ $ $ ? ! B $

> ! # B ! ^; ;_ + B $ ! ! B $ ; ! $ ™

PF

P

O

M

I

A

! ! !

! ! B ! # !

; ! ! $ +

3. 6 „ 7 , ƒ

E‚ 7 , ' > ! D $ L$ ! $ ! ; ! * m ! ] ! B# + ^D ! _ > * $ ; ! : $ * $ ! B D $ ! :+

5 7 % $ # * ! * $ ! $ * # > # j ; j ] ! + / ! ? ] # +

q przeniesienie praw ' , 7 ' ++*XÂ… / B ! $ B ! B+ U ! ! !

+ ! ;

! ; +

Redakcja kwartalnika Pomiary Automatyka Robotyka ) %

5 % ! $ L % @ $ ! B b\H +&

' ( Q ( ( R "" Q < / " 0 Quercus robur L. w zakresie 460–820 nm, „Pomiary Automatyka Robotyka�, ISSN 1427-9126, R. 22, Nr 1/2018, 5–10, DOI: 10.14313/PAR_227/5.

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

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

Âœb@ /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 * + / $ ; ; š * ! [ X š Y+ D: ! QOgO

+ @ ! $ gOF a KÂŒQ 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 + * š 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

Âœb@ /CEH@

OG

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

OQ

Âœb@ /CEH@

OK

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

Kalendarium wybranych imprez Data konferencji ; :

Informacje dodatkowe

16th Hš@.?HCCC H * . % $ * ; HE.\ KGQO

QQ>Qg ? GF ? KGQO gQ ? QQ ? KGQP

Bergamo

www: &?? + KGQO+ ; mail: T KGQO+ ;

QOth Hš@.?HCCC H! D œ Hb KGQO

a>QQ ? GP ? KGQO O ? QK ? KGQP

Sztokholm Szwecja

www: + + + ? !KGQO mail: + žV T + +

15th International Conference H * . @ ! $ H.HE.\ KGQO

Ka>gQ ? GP ? KGQO Qg ? Gg ? KGQO

Porto % ;

www: http://www.icinco.org mail: + T + ;

QKth Hš@. HCCC @ $ . œ \.\ KGQO

KP>gG ? GO ? KGQO a ? GM ? KGQO

< ! B;

www: &?? + KGQO+ ;? mail: T KGQO+ ;

QGth Hš@. š b V ! * * % @šC% \.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 $

Œ>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 ? GΠ? KGQO

\ Chorwacja

www: &?? * L KGQO+ ? mail: KGQOT* +

39th International Conference H * @ ! ; H @ KGQO

QF>QO ? Ga ? KGQO QM ? GΠ? KGQO

E %

www: &?? + + + ! + mail: T + ! +

QPth Hš@. . @ * \ .@\ KGQO

QŒ>Qa ?QG ?KGQO QŒ ? GM ? KGQO

$ ;

QGth Hš@. H ; @ f H@f KGQa

g>Π? GF ? KGQa Qa ? QQ? KGQO

=! : %

www: &?? + ;+;! + ? VKGQa mail: VKGQaT ;+;! +

gG ? GF > M ? GP ? KGQa QΠ? GQ ? KGQa

Kraków %

www: &?? ¡ KGQa+ mail: ; T ¡ KGQa+

QK>QP ? GP ?KGKG

Berlin Niemcy

www: &?? + * KGKG+ ;

15th IFToMM World . ; KGQa KQ Hš@. ! . ;

www: &?? KGQO+ + ?

Og

\EšC 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 ™ + + ;

$ + * E ! $ — Archives of Control Sciences — Archives of Civil and Mechanical Engineering — Bulletin of the Polish Academy of Sciences — Foundations of Computing and Decision Sciences — Journal of Automation, Mobile Robotics & Intelligent System — International Journal of Applied Mathematics and Computer Science.

* $ B L $ & — !

— ;

— ! : ! :

— ;

—

— $

— $ $

— $ ;

— $ ; !

— $ ! $

— $ >

$

— $

— $ $

— $

— ! $ +

! ! * $ gK $ B ! : $ + b ! : L

; j ! B j H B + ! ! B @/\E X@ / $ \ E Y ; . ! E % ™ * &?? $ + ?.

/; * # ! j ! gQ KGQO + b ! $ $ L ; L : + B * * &?? + + ! + ! ! ! w konferencji.

0% ( 0 < Komitet Organizacyjny

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

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 % ] QaOΠ+ ! E ; m B _ # _ $ &

te

dra

Cy

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

*+ < j > H %

HH

*+ b > % H @ % X KGQÂŒY

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 ! %

*+ ! š ! > % *+ " š > % Z B X QaaaY *+ @ = > % X KGGŒY *+ " = > @ ! = L" *+ : > % X QaaQY *+ * > % X KGQPY *+ > % *+ " > % Z *+ * > %

fHHH % L/! KGGM FP * K ! A

*+ * > %

Hc

% KGGF FΠ* K ! A

c

% KGGO PG * K ! \ %

cH

KGQG Fg * K ! \ %

cHH

Z ! L/! KGQK FΠ* K ! \ %

*+ " [ ] > % X KGGaY

! #+ % > % X KGQQY *+ ! > % H @ % X KGQFY *+ @! > % X KGGQY *+ @ E ! : > % Z *+ E > % X KGQKY *+ š % > H < ! : *+ ! % > % % : *+ % > %

cHHH ! L/! KGQM PQ * K ! \ %

*+ > @ ! = L"

cHf % L/! KGQF FQ * K ! \ %

*+ @ m > % % : X KGGgY+

cf % L/! KGQO ; +

OŒ

%\[C.@E@ HÂĽÂƒ @

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 ! $ +

„‘Superb, articulate, urbane and witty’ The Times, Books of the Year.�

Jeden z najbardziej znanych psychologów na ] ] ! $ ! B ! ! B ; # !! < = V % U " V ! ! # B The sense of style. The thinking person’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 Person’s Guide to Writing in the 21st Century, Wydawnictwo Penguin Books, 2014, ISBN 978-0241-957771-4, str. 360.

% $ ! j ! $ B ! $ ] ! $ ; ! + < $ ! ! ! -

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

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 Person’s Guide to Writing in the 21st Century, str. 80, 113

" The Sense of Style2 #$ #$ , \ ] ,

$ (* ^

% _ , - ()*` 2

\EšC 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 + > / = KGQŒ + > B! ! KGQP + > A !mY ; XKGQg + KGQF + > < . KGQM + > Y+ / * $ B ; B B $ B * B B # B ! $ # B B ] ! + . * # ! ! $ $B! ; ! ] ! ! ; $ ] + % ! * ! ! H H $ * $ $ ! + b # ! * ; B ! ] ! ! ; ! ! + + š @ Z ] + % ! * ! * $ + ] ! ! * * ! ] ! $ ! ! ; ! + * % @ ! E C % % C + % HCCC ! !! & ; . X=! : Y+ \ ; B * + E ! B ]j ! ; * ! # ] ! * ! + /

Komitet Organizacyjny

OP

%\[C.@EC HÂĽÂƒ 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 > @<< š@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 & — @<< > H .ÂŒ $ \ > ™ š i% ! > $ $ B ; @%Hb™ — š@EU. > LgG < LgG < % % ! > $ ™ — $ C > . PÂŒGLh ÂŒF < B ; * L< f™ — U @ > .M %@b > panel nauczania robotĂłw. ! #! D ! * ! ; ; $ D; $ ; + PorĂłwnanie sposobu sterowania i progra $ @<< š@EU. H U<H "H U @ > ! ! ! B kĂłw programowania robotĂłw na podstawie $ + @ : 7 & wania robotĂłw > ! B ; ; ] # ! & — B # ! ! D

]< IS RCBC<X(> M ME M = " E M " = %^

OO

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

/ ( " ' . & 7 , / /P ,&*- 8 BP +-.@.$@&*@*+664@6 % ,.,%

— $ `L ; $ : D $

— ; > wane w przypadku robotów kolaboracyj + @ ! ; samouczenia i automatycznego generowania kodu robota. ; & _ > # XKOY D XKKY+ Publikacja kierowana jest do studentów $ ! # ! * # ! > ; $ ; # $ # # +

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 , ' ‰.33Š

57

Igor Kurytnik, Zbigniew Juszkiewicz

59

/$ ; % %

/ :

67

A

3 6

3 ( % & 7 7 ' , 7( , , & , 7 , , %

X ! , % 7 , 3C.

Turn static files into dynamic content formats.

Create a flipbook
Issuu converts static files into: digital portfolios, online yearbooks, online catalogs, digital photo albums and more. Sign up and create your flipbook.