Care sunt factorii cheie utilizați pentru clasificarea roboților industriali?

Milioane de roboți industriali sunt activi în fabricile din Industria 4.0 din întreaga lume. Aceștia sunt utilizați pentru a crește ratele de producție, a îmbunătăți calitatea, a reduce costurile și a sprijini operațiuni mai flexibile și mai durabile. Datorită importanței roboților industriali, Organizația Internațională de Standardizare (ISO) a elaborat standardul 8373:2021, Vocabularul roboticii, pentru a defini termenii utilizați în robotică și pentru a oferi un limbaj comun pentru a discuta despre numeroasele tipuri de roboți și aplicațiile acestora.

Federația Internațională de Robotică (IFR) a folosit termenii cheie definiți în ISO 8373:2021 pentru a identifica șase clasificări de roboți pe baza structurii lor mecanice, inclusiv:

• Articulați
• Cartezieni
• Cilindrici
• Paraleli/delta
• Polari
• SCARA

Acest articol trece în revistă ISO 8373:2021, analizând cei patru termeni cheie care definesc un robot, concentrându-se asupra capacității de reprogramare și asupra tipurilor și numerelor de articulații ale robotului utilizate de IFR pentru a dezvolta clasificările roboților. Apoi, analizează detaliile și nuanțele fiecărei clasificări de roboți și prezintă exemple de roboți de la mai mulți producători. Pe parcurs, analizează și sistemele care poartă numele de roboți, dar nu îndeplinesc toate cerințele ISO.

ISO 8373:2021 definește robotul industrial ca fiind un „manipulator multifuncțional, reprogramabil, controlat automat, programabil pe trei sau mai multe axe, care poate fi fixat pe loc sau pe o platformă mobilă pentru a fi utilizat în aplicațiile de automatizare dintr-un mediu industrial”.

Capacitatea de reprogramare este un factor de diferențiere esențial. Unele utilaje industriale pot avea manipulatori și se pot deplasa pe mai multe axe, îndeplinind sarcini specifice, cum ar fi ridicarea sticlelor de pe o linie de umplere a băuturilor și plasarea lor într-o cutie. Dar acestea nu sunt roboți dacă sunt dedicate unui singur scop și nu sunt reprogramabile. „Reprogramabil” este definit în ISO 8373 ca fiind „proiectat astfel încât mișcările programate sau funcțiile auxiliare să poată fi schimbate fără modificări fizice”.

Tipurile și numerele de articulații ale roboților

ISO 8373 definește două tipuri de articulații ale roboților:

• Articulația prismatică sau articulația glisantă este un ansamblu între două cuplări care permite uneia dintre ele să aibă o mișcare liniară în raport cu cealaltă.
• Articulația rotativă sau articulația revolută este un ansamblu care conectează două cuplări și care permite rotația uneia în raport cu cealaltă în jurul unei axe fixe.

IFR a utilizat aceste definiții și alte definiții ISO 8373 pentru a identifica șase clasificări ale roboților industriali pe baza structurii sau topologiei mecanice a acestora. În plus, diferitele topologii de roboți au un număr diferit de axe și, prin urmare, un număr diferit de articulații.

Numărul de axe este o caracteristică cheie a roboților industriali. Numărul de axe și tipurile acestora determină intervalul de mișcare al robotului. Fiecare axă reprezintă o mișcare independentă sau un grad de libertate. Mai multe grade de libertate fac ca un robot să se poată deplasa în spații mai mari și mai complexe. Unele tipuri de roboți au un număr fix de grade de libertate, în timp ce altele pot avea un număr diferit de grade de libertate.

Efectorii finali, numiți și unelte fixate pe capătul brațului (EOAT) sau „manipulatori multifuncționali” în ISO 8373, reprezintă un alt element important în majoritatea roboților. Există o gamă largă de efectori finali, inclusiv dispozitive de prindere, unelte de proces dedicate, cum ar fi șurubelnițe, pulverizatoare de vopsea sau aparate de sudură, și senzori, inclusiv camere. Aceștia pot fi pneumatici, electrici sau hidraulici. Unii efectori finali se pot roti, oferind robotului un alt grad de libertate.

Următoarele secțiuni încep cu definiția IFR pentru fiecare topologie de robot și apoi examinează capacitățile și aplicațiile acestora.

Roboții articulați au trei sau mai multe articulații rotative.

Aceasta este o clasă mare de roboți. Roboții articulați pot avea zece sau mai multe axe, cei mai frecvenți fiind cei cu șase. Roboții cu șase axe se pot deplasa în planurile x, y și z și pot efectua rotații de tangaj, ruliu și girație, ceea ce le permite să imite mișcările unui braț uman.

De asemenea, sunt disponibili cu o gamă largă de capacități de încărcare, de la mai puțin de 1 kg la peste 200 kg. Razele de acțiune ale acestor roboți variază, de asemenea, de la mai puțin de 1 metru la mai mulți metri. De exemplu, KR 10 R1100-2 de la KUKA este un robot articulat cu șase axe cu o rază maximă de acțiune de 1.101 mm, o sarcină utilă maximă de 10,9 kg și o repetabilitate a poziției de ±0,02 mm (Figura 1). De asemenea, este capabil de mișcări de mare viteză, timpi de funcționare scurți și un sistem integrat de alimentare cu energie.

Figura 1: Robot articulat pe șase axe cu o repetabilitate a poziției de ±0,02 mm. (Sursa imaginii: DigiKey)

Roboții articulați pot fi montați permanent pe podea, pe perete sau pe tavan. De asemenea, pot fi montați pe șine pe podea sau deasupra capului, pe un robot mobil autonom sau pe o altă platformă mobilă și pot fi mutați între stațiile de lucru.

Sunt utilizați pentru diverse sarcini, inclusiv pentru manipularea materialelor, sudare, vopsire și inspecție. Roboții articulați reprezintă cea mai frecventă topologie pentru implementarea roboților colaborativi (coboți) concepuți pentru a lucra cu oamenii. În timp ce un robot convențional funcționează într-o zonă de siguranță cu bariere de siguranță, un cobot este proiectat pentru o interacțiune strânsă cu oamenii. De exemplu, cobotul LXMRL12S0000 de la Schneider Electric are o rază maximă de acțiune de 1.327 mm, o sarcină utilă maximă de 12 kg și o repetabilitate a poziției de ±0,03 mm. Coboții sunt adesea prevăzuți cu protecție împotriva coliziunilor, margini rotunjite, limite de forță și greutate redusă pentru o siguranță sporită.

Robotul cartezian (numit uneori robot dreptunghiular, robot liniar sau robot portal) are un manipulator cu trei articulații prismatice ale căror axe formează un sistem de coordonate carteziene.

Roboții cartezieni modificați sunt disponibili cu două articulații prismatice. Cu toate acestea, ei nu îndeplinesc cerința ISO 8373 conform căreia trebuie să fie „programabili pe trei sau mai multe axe” și, prin urmare, din punct de vedere tehnic, nu sunt roboți.

Există mai multe moduri de a configura trei articulații prismatice și, prin urmare, mai multe moduri de a configura un robot cartezian. Într-o topologie carteziană de bază, toate cele trei articulații sunt în unghiuri drepte, cu una care se mișcă pe axa x, atașată la o a doua care se mișcă pe axa y, care este atașată la o a treia care se mișcă pe axa z.

Deși este adesea folosit ca sinonim pentru un robot cartezian, topologia portală nu este identică. La fel ca un robot cartezian de bază, roboții portali acceptă mișcări liniare în spațiul tridimensional. Dar roboții portali sunt configurați cu două șine de bază pe axa x, o șină susținută pe axa y care acoperă cele două axe x și o axă z în consolă atașată la axa y. De exemplu, DLE-RG-0012-AC-800-800-500, de la Igus, este un robot portal cu o zonă de lucru de 800 mm x 800 mm x 500 mm care poate transporta până la 5 kg și se poate deplasa cu o viteză de până la 1,0 m/s cu o repetabilitate de ±0,5 mm (Figura 2).

Figura 2: Robot portal cu un spațiu de lucru de 800 mm x 800 mm x 500 mm. (Sursa imaginii: Igus)

Robotul cilindric are un manipulator cu cel puțin o articulație rotativă și cel puțin o articulație prismatică, ale cărui axe formează un sistem de coordonate cilindrice.

Roboții cilindrici sunt relativ simpli și compacți, iar gama lor limitată de mișcare îi face ușor de programat. Sunt mai puțin frecvenți decât verișorii lor mai complecși. Cu toate acestea, ei sunt deosebit de potriviți pentru aplicații precum procesele de rectificare, paletizare, sudare (în special sudarea punctuală) și manipularea materialelor, de exemplu, încărcarea și descărcarea plăcuțelor de semiconductori în casete în cadrul unei operațiuni de fabricare a circuitelor integrate (Figura 3).

Figura 3: Acest robot cilindric are o articulație rotativă și una prismatică. (Sursa imaginii: Association for Advancing Automation)

Roboții cilindrici se deplasează de obicei la viteze cuprinse între 1 și 10 m/s și pot fi proiectați pentru a transporta sarcini grele. Aplicațiile pentru roboții cilindrici pot include industria auto, farmaceutică, alimentară și a băuturilor, aerospațială, electronică și alte industrii.

Robotul paralel/delta este un manipulator ale cărui brațe au cuplări care formează o structură în buclă închisă.

În timp ce alți roboți, cum ar fi cei cu topologii cilindrice sau carteziene, sunt numiți după mișcarea lor, robotul delta este numit după forma sa triunghiulară răsturnată. Roboții delta au între 2 și 6 axe, cei mai frecvenți fiind cei cu 2 și 3 axe. La fel ca și roboții cartezieni cu 2 axe, roboții delta cu 2 axe nu îndeplinesc din punct de vedere tehnic cerințele ISO 8373 pentru a fi numiți roboți.

Roboții delta sunt concepuți mai degrabă pentru viteză decât pentru forță. Sunt montați deasupra zonei de lucru și îndeplinesc funcții precum preluarea și plasarea, sortarea, dezasamblarea și ambalarea. Ei se găsesc adesea deasupra unui transportor, mutând piese pe o linie de producție. Dispozitivul de prindere este conectat la cuplări mecanice lungi și subțiri. Aceste cuplări duc la trei sau patru motoare mari de la baza robotului. Celălalt capăt al cuplărilor este atașat la o placă de scule unde se fixează EOAT.

RBTX-IGUS-0047 de la Igus este un exemplu de robot delta cu 3 axe. Are un diametru al spațiului de lucru de 660 mm și poate suporta o sarcină maximă de 5 kg. Atunci când manipulează o sarcină de 0,5 kg, poate efectua 30 de mișcări de ridicare pe minut, cu o viteză maximă de 0,7 m/s și o accelerație de 2 m/s². Are o repetabilitate de ± 0,5 mm (Figura 4).

Figura 4: Robot delta cu trei axe și controler (stânga). (Sursa imaginii: DigiKey)

Robotul polar (robotul sferic) este un manipulator cu două articulații rotative și o articulație prismatică, ale cărui axe formează un sistem de coordonate polare.

Una dintre articulațiile rotative permite unui robot polar să se rotească în jurul axei verticale care se extinde în sus de la bază. Cea de-a doua articulație rotativă este în unghi drept față de prima articulație rotativă și permite brațului robotului să se balanseze în sus și în jos. În cele din urmă, articulația prismatică permite brațului robotului să se extindă sau să se apropie de axa verticală.

Roboții polari, deși au o construcție simplă, au și dezavantaje care le limitează utilizarea în comparație cu alte topologii, cum ar fi roboții articulați, cartezieni și SCARA:

• Sistemul de coordonate sferice face ca programarea să fie mai complexă.
• De obicei, aceștia au o capacitate de încărcare mai limitată decât alte tipuri de roboți.
• Sunt mai lenți decât alți roboți.

Principalele avantaje ale roboților polari includ un spațiu de lucru mare și o precizie ridicată. Ei sunt folosiți pentru manipularea mașinilor-unelte, operațiunile de asamblare, manipularea materialelor în liniile de asamblare a automobilelor și sudarea cu gaz și cu arc electric.

Robotul SCARA (de la „selectively compliant arm for robotic assemblies” – braț cu conformare selectivă pentru ansamblurile robotice) este un manipulator cu două articulații rotative paralele, ce asigură conformitatea într-un plan selectat.

Un robot SCARA de bază are trei grade de libertate, cel de-al treilea fiind reprezentat de un efector final rotativ. De asemenea, roboții SCARA sunt disponibili cu o articulație rotativă suplimentară, având în total patru grade de libertate, ce permit mișcări mai complexe.

Roboții SCARA sunt adesea utilizați în aplicații de preluare și plasare sau de asamblare în care este nevoie de viteză și precizie ridicate. De exemplu, M1-PRO de la Dobot este un robot SCARA cu 4 axe, cu o rază de lucru de 400 mm, o sarcină utilă maximă de 1,5 kg și o repetabilitate de ±0,02 mm. Acesta dispune de o detectare a coliziunii fără senzori și de o programare de tip „drag-to-teach” (învățare prin tragerea brațului), ceea ce îl face potrivit pentru a fi utilizat atât ca un cobot, cât și ca un robot independent (Figura 5).

Figura 5: Robot SCARA cu patru axe cu o repetabilitate de ±0,02 mm. (Sursa imaginii: DigiKey)

Concluzie

Toți roboții industriali îndeplinesc cerința ISO 8373 de a fi controlați automat cu un manipulator multifuncțional reprogramabil. Cu toate acestea, nu toate modelele au un număr definit de axe pentru o topologie specifică. Roboții delta și cartezieni sunt disponibili cu un număr de axe mai mic decât cel definit, în timp ce unii roboți SCARA au mai multe axe decât cele definite de IFR.