Jakie kluczowe czynniki są używane do klasyfikacji robotów przemysłowych?

Miliony robotów przemysłowych pracują w fabrykach Przemysłu 4.0 na całym świecie. Służą one zwiększeniu tempa produkcji, poprawie jakości, obniżeniu kosztów oraz wsparciu bardziej elastycznej i zrównoważonej działalności. Ze względu na znaczenie robotów przemysłowych, Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (International Organization for Standardization, ISO) opracowała normę 8373:2021 dotyczącą słownictwa robotyce, która definiuje terminy używane w robotyce i zapewnia wspólny język do omawiania wielu typów robotów i ich zastosowań.

Międzynarodowa Federacja Robotów (International Federation of Robots, IFR) użyła kluczowych terminów zdefiniowanych w normie ISO 8373:2021 do zidentyfikowania sześciu klas robotów zależnie od ich budowy mechanicznej:

• Przegubowe
• Kartezjańskie
• Cylindryczne
• Równoległe/delta
• Sferyczne
• SCARA

W niniejszym artykule omówiono normę ISO 8373:2021, przyglądając się czterem kluczowym terminom definiującym robota, koncentrując się na potrzebie dostępności możliwości przeprogramowania oraz typach i liczbie przegubów robotów używanych przez IFR do opracowywania klasyfikacji robotów. Następnie przeanalizowano szczegóły i niuanse poszczególnych klas robotów i przedstawiono przykładowe roboty kilku producentów. Przy okazji omawiamy również systemy zwane robotami, które nie spełniają wszystkich wymagań normy ISO.

Zawarta w normie ISO 8373:2021 definicja robota przemysłowego brzmi następująco: „automatycznie sterowany, możliwy do przeprogramowania, wielofunkcyjny manipulator, programowany w co najmniej trzech osiach, który może być przymocowany na miejscu lub przymocowany do platformy mobilnej w celu użycia w zastosowaniach automatyki w środowisku przemysłowym”.

Kluczowym wyróżnikiem jest możliwość przeprogramowania. Niektóre maszyny przemysłowe mogą być wyposażone w manipulatory i poruszać się w wielu osiach, w których mogą wykonywać określone zadania, takie jak podnoszenie butelek na linii rozlewu napojów i umieszczanie ich w pudełkach. Jednak jeśli maszyna taka jest przeznaczona do tego jednego celu i nie da się jej przeprogramować, nie jest robotem. „Możliwy do przeprogramowania” według definicji z normy ISO 8373 to „zaprojektowany w taki sposób, że zaprogramowane ruchy lub funkcje pomocnicze mogą być modyfikowane bez wprowadzania zmian fizycznych”.

Typy i liczby przegubów robotycznych

Norma ISO 8373 definiuje dwa typy przegubów robotycznych:

• przegub pryzmatyczny lub ślizgowy jest połączeniem dwóch elementów, które umożliwia jednemu łącznikowi wykonywanie ruchu liniowego względem drugiego.
• przegub obrotowy to połączenie dwóch elementów, które umożliwia obrót jednego z nich względem drugiego wokół stałej osi.

IFR wykorzystała te i inne definicje z normy ISO 8373 do zidentyfikowania sześciu klas robotów przemysłowych w oparciu o ich konstrukcję mechaniczną lub topologię. Ponadto różne topologie robotów mają różną liczbę osi, a tym samym różną liczbę przegubów.

Liczba osi jest kluczową cechą charakteryzującą roboty przemysłowe. Liczba osi i ich typy określają zakres ruchu robota. Każda oś reprezentuje niezależny ruch lub stopień swobody. Większa liczba stopni swobody pozwala robotowi poruszać się w większych i bardziej złożonych przestrzeniach. Niektóre typy robotów mają stałą liczbę stopni swobody, podczas gdy w innych liczba ta może być zmienna.

Kolejnym ważnym elementem większości robotów są efektory końcowe, zwane również narzędziami montowanymi na końcu ramienia (EOAT) lub „manipulatorami wielozadaniowymi” w normie ISO 8373. Dostępna jest szeroka gama efektorów końcowych, w tym chwytaki, dedykowane narzędzia technologiczne, takie jak wkrętaki, rozpylacze do farb lub spawarki, a także czujniki, na przykład kamery. Mogą one być pneumatyczne, elektryczne lub hydrauliczne. Niektóre efektory końcowe mogą się obracać, dając robotowi kolejny stopień swobody.

Poniższe sekcje zaczynają się od definicji IFR każdego typu robota. W dalszej kolejności poddano analizie ich możliwości i zastosowania.

Roboty przegubowe mają trzy lub więcej przegubów obrotowych.

To duża klasa robotów. Roboty przegubowe mogą mieć dziesięć i więcej osi, przy czym najpopularniejszy wariant to sześć osi. Sześcioosiowe roboty mogą poruszać się w płaszczyznach x, y i z oraz wykonywać ruchy obrotowe wokół osi poziomej poprzecznej, pionowej oraz poziomej wzdłużnej, dzięki czemu imitują ruchy ramienia człowieka.

Są one również dostępne w szerokim zakresie udźwigów od poniżej 1kg do ponad 200kg. Zasięgi tych robotów również mogą być bardzo różne: od poniżej 1 metra do wielu metrów. Na przykład sześcioosiowy robot przegubowy KR 10 R1100-2 firmy KUKA charakteryzuje się maksymalnym zasięgiem 1101mm, maksymalnym udźwigiem 10,9kg i powtarzalnością pozycjonowania ±0,02mm (ilustracja 1). Charakteryzuje się również szybkimi ruchami, krótkimi czasami cykli i zintegrowanym systemem zasilania energią.

Ilustracja 1: sześcioosiowy robot przegubowy o powtarzalności pozycjonowania ±0,02mm. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Roboty przegubowe mogą być trwale montowane na podłodze, ścianie lub suficie. Można je również montować na szynach na podłodze lub w podwieszeniu, na autonomicznym robocie mobilnym lub innej ruchomej platformie, a także przenosić między stacjami roboczymi.

Są one używane do różnych zadań, takich jak przenoszenie materiałów, spawanie, malowanie i inspekcja. Roboty przegubowe są najpopularniejszą topologią we wdrażaniu robotów współpracujących (kobotów) zaprojektowanych do pracy z ludźmi. Podczas gdy konwencjonalny robot działa w klatce bezpieczeństwa z barierami ochronnymi, kobot jest przeznaczony do bliskiej interakcji z ludźmi. Na przykład kobot LXMRL12S0000 firmy Schneider Electric ma maksymalny zasięg 1327mm, maksymalny udźwig 12kg i powtarzalność pozycjonowania ±0,03mm. Koboty często posiadają zabezpieczenia przed kolizją, zaokrąglone krawędzie, ograniczenia siły i mniejszą wagę, co zwiększa bezpieczeństwo.

Robot kartezjański (czasami nazywany robotem prostokątnym, robotem liniowym lub robotem bramowym) posiada manipulator z trzema przegubami pryzmatycznymi, których osie tworzą kartezjański układ współrzędnych.

Dostępne są zmodyfikowane roboty kartezjańskie z dwoma przegubami pryzmatycznymi. Mimo to nie spełniają one wymogu normy ISO 8373 pod kątem „możliwości przeprogramowania w co najmniej trzech osiach”, a więc technicznie rzecz biorąc nie są robotami.

Istnieje więcej niż jeden sposób konfiguracji trzech przegubów pryzmatycznych, a zatem więcej niż jeden sposób konfiguracji robota kartezjańskiego. W podstawowej konfiguracji kartezjańskiej wszystkie trzy przeguby są ustawione pod kątem prostym, przy czym jeden porusza się wzdłuż osi x i łączy się z kolejnym poruszającym się w osi y, który z kolei łączy się z trzecim przegubem poruszającym się wzdłuż osi z.

Choć często termin robot bramowy jest używany jako synonim robota kartezjańskiego, to nie są one identyczne. Podobnie jak podstawowe roboty kartezjańskie, roboty bramowe obsługują ruchy liniowe w przestrzeni trójwymiarowej. Jednak roboty bramowe posiadają dwie podstawowe szyny w osi x, podpartą szynę w osi y obejmującą swoim zasięgiem dwie osie x, oraz podpartą oś z połączoną z osią y. Na przykład DLE-RG-0012-AC-800-800-500, firmy Igus, to robot bramowy o powierzchni roboczej 800mm x 800mm x 500mm, udźwigu do 5kg i prędkości do 1,0m/s z powtarzalnością ±0,5mm (ilustracja 2).

Ilustracja 2: robot bramowy o przestrzeni roboczej 800mm x 800mm x 500mm. (Źródło ilustracji: Igus)

Robot cylindryczny jest wyposażony w manipulator z co najmniej jednym przegubem obrotowym i co najmniej jednym przegubem pryzmatycznym, których osie tworzą cylindryczny układ współrzędnych.

Roboty cylindryczne są stosunkowo proste i kompaktowe, a ich ograniczony zakres ruchów ułatwia programowanie. Są mniej powszechne niż ich bardziej skomplikowani kuzyni. Mimo to są one szczególnie odpowiednie do takich zastosowań, jak szlifowanie, paletyzacja, spawanie (zwłaszcza zgrzewanie punktowe) oraz przenoszenie materiałów, na przykład załadunek i rozładunek wafli półprzewodnikowych do kaset przy produkcji układów scalonych (ilustracja 3).

Ilustracja 3: robot cylindryczny posiada jeden przegub obrotowy i jeden pryzmatyczny. (Źródło ilustracji: Association for Advanced Automation)

Roboty cylindryczne zwykle poruszają się z prędkością od 1 do 10m/s i mogą być zaprojektowane do przenoszenia dużych obciążeń. Roboty cylindryczne można znaleźć w branży motoryzacyjnej, farmaceutycznej, spożywczej, lotniczej, elektronicznej i innych.

Robot równoległy/delta jest manipulatorem, którego ramiona posiadają połączenia tworzące zamkniętą pętlę.

Podczas gdy nazwy innych robotów, np. cylindrycznych lub kartezjańskich, pochodzą od ich ruchu, nazwa robota delta pochodzi od kształtu odwróconego trójkąta. Roboty delta mają od 2 do 6 osi, przy czym najpopularniejsza jest konstrukcja 2- i 3-osiowa. Podobnie jak 2-osiowe roboty kartezjańskie, również 2-osiowe roboty delta pod względem technicznym nie spełniają wymagań normy ISO 8373 dotyczących określania ich jako robotów.

Roboty delta są projektowane z myślą o szybkości, a nie wytrzymałości. Są one montowane nad obszarem roboczym i wykonują takie funkcje, jak montaż maszynowy, sortowanie, demontaż i pakowanie. Często znajdują się nad przenośnikiem, przesuwając części wzdłuż linii produkcyjnej. Chwytak jest połączony z długimi, smukłymi mechanicznymi układami przenoszącymi. Te układy przenoszące połączone są z trzema lub czterema dużymi silnikami w podstawie robota. Wspomniane układy przenoszące są przymocowane po drugiej stronie do płytki narzędziowej, do której mocuje się narzędzia montowane na końcu ramienia (EOAT).

Przykładem robota 3-osiowego delta jest RBTX-IGUS-0047 firmy Igus. Średnica jego przestrzeni roboczej wynosi 660mm, a maksymalne obciążenie to 5kg. Przy obciążeniu 0,5kg może on wykonywać ruchy z prędkością 30 cykli na minutę z maksymalną prędkością 0,7m/s i przyspieszeniem 2m/s². Jego powtarzalność wynosi ±0,5mm (ilustracja 4).

Ilustracja 4: trójosiowy robot delta i kontroler (po lewej). (Źródło ilustracji: DigiKey)

Robot sferyczny to manipulator z dwoma przegubami obrotowymi i jednym przegubem pryzmatycznym, których osie tworzą sferyczny układ współrzędnych.

Jeden z przegubów obrotowych umożliwia robotowi sferycznemu obracanie się wokół osi pionowej, która rozciąga się od podstawy. Drugi przegub obrotowy jest ustawiony pod kątem prostym do pierwszego przegubu obrotowego i umożliwia ruch ramienia robota w górę i w dół. Przegub pryzmatyczny umożliwia również wysuwanie i chowanie ramienia robota względem osi pionowej.

Roboty sferyczne, choć proste w konstrukcji, mają wady, które ograniczają ich zastosowanie w porównaniu z innymi typami, takimi jak roboty przegubowe, kartezjańskie i SCARA:

• Sferyczny układ współrzędnych komplikuje programowanie.
• Zwykle mają one większe ograniczenia pod względem przenoszonego ciężaru ładunku niż inne typy robotów.
• Są wolniejsze od innych robotów.

Główne zalety robotów sferycznych to duży obszar roboczy i wysoka precyzja. Służą one do nadzorowania obrabiarek, prac montażowych, transportu bliskiego materiałów na motoryzacyjnych liniach montażowych oraz do spawania gazowego i łukowego.

Robot SCARA (z angielskiego „montażowe ramię robotyczne o selektywnej zgodności”) to manipulator z dwoma równoległymi przegubami obrotowymi zapewniającymi zgodność w wybranej płaszczyźnie.

Podstawowy robot SCARA ma trzy stopnie swobody, przy czym trzeci zawdzięcza obrotowemu efektorowi końcowemu. Roboty SCARA są również dostępne z dodatkowym przegubem obrotowym zapewniającym łącznie cztery stopnie swobody, co umożliwia wykonywanie bardziej złożonych ruchów.

Roboty SCARA są często używane w zastosowaniach montażu maszynowego, gdzie wymagana jest duża szybkość i dokładność. Na przykład M1-PRO firmy Dobot jest 4-osiowym robotem SCARA o promieniu roboczym 400mm, maksymalnym udźwigu 1,5kg i powtarzalności ±0,02mm. Posiada opcje bezczujnikowego wykrywania kolizji oraz programowania metodą „przeciągnij, aby nauczyć”, dzięki czemu nadaje się do użycia zarówno jako kobot, jak i robot autonomiczny (ilustracja 5).

Ilustracja 5: czteroosiowy robot SCARA o powtarzalności ±0,02mm. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Podsumowanie

Wszystkie roboty przemysłowe spełniają wymagania normy ISO 8373 w zakresie automatycznego sterowania za pomocą programowalnego manipulatora wielofunkcyjnego. Jednak nie każda konstrukcja posiada liczbę osi określoną dla konkretnego typu. Roboty delta i kartezjańskie są dostępne z mniejszą liczbą osi niż zdefiniowana, podczas gdy niektóre roboty SCARA mają więcej osi niż określa to IFR.