Hvad er de vigtigste faktorer, der bruges til at klassificere industrirobotter?

Millioner af industrirobotter er aktive i Industri-4.0-fabrikker over hele verden. De bruges til at øge produktionshastigheden, forbedre kvaliteten, reducere omkostningerne og understøtte en mere fleksibel og bæredygtig drift. På grund af industrirobotternes betydning har den internationale standardiseringsorganisation, International Organization for Standardization (ISO), udviklet standard 8373:2021, Robotics Vocabulary (ordforråd for robotteknologi), for at definere termer, der bruges inden for robotteknologi, og udgør et fælles sprog til at diskutere de mange typer robotter og deres anvendelser.

Den internationale robotforening, International Federation of Robots (IFR), brugte nøglebegreber, defineret i ISO 8373:2021 til at identificere seks robotklassifikationer baseret på deres mekaniske struktur, herunder:

• Leddelt
• Kartesisk
• Cylindrisk
• Parallel/Delta
• Polær
• SCARA

Denne artikel gennemgår ISO 8373:2021 og ser på de fire nøglebegreber, der definerer en robot, med fokus på behovet for omprogrammerbarhed og de typer og antal af robotled, som IFR bruger til at udvikle robotklassifikationer. Derefter går den i dybden med detaljerne og nuancerne i hver robotklassifikation og præsenterer eksemplariske robotter fra flere producenter. Undervejs ser den også på systemer, der kaldes robotter, men der ikke opfylder alle ISO-kravene.

ISO 8373:2021 definerer en industrirobot som en "automatisk styret, omprogrammerbar, multifunktionel manipulator, programmerbar i tre eller flere akser, som enten kan stå fast på stedet eller er fastgjort til en mobil platform til brug i automatiseringsanvendelser i et industrielt miljø."

Omprogrammerbarhed er en afgørende differentiator. Nogle industrimaskiner kan have manipulatorer og bevæge sig i flere akser, der kan håndtere specifikke opgaver som at samle flasker op på en linje til påfyldning af drikkevarer og placere dem i en kasse. Men det er ikke en robot, hvis den er dedikeret til dette ene formål, og ikke kan omprogrammeres. "Omprogrammerbar" defineres i ISO 8373 som "konstrueret således, at de programmerede bevægelser eller hjælpefunktioner kan ændres uden fysiske ændringer."

Typer og antal af robotled

ISO 8373 definerer to typer robotled:

• Prismatisk led, eller glideled, er en samling mellem to led, der gør det muligt for det ene at have en lineær bevægelse i forhold til det andet.
• Et roterende led er en samling, der forbinder to led, så det ene kan rotere i forhold til det andet omkring en fast akse.

IFR har brugt disse og andre ISO 8373-definitioner til at identificere seks industrirobotklassifikationer baseret på deres mekaniske struktur eller topologi. Derudover har forskellige robottopologier forskelligt antal akser og derfor forskelligt antal led.

Antallet af akser er en vigtig egenskab ved industrirobotter. Antallet af akser og deres typer bestemmer robottens bevægelsesområde. Hver akse repræsenterer en uafhængig bevægelse eller frihedsgrad. Flere frihedsgrader betyder, at en robot kan bevæge sig gennem større og mere komplekse rum. Nogle robottyper har et fast antal frihedsgrader, mens andre kan have forskellige antal frihedsgrader.

Endeeffektorer, også kaldet ”end-of-arm tooling” (EOAT) - værktøj for enden af armen - eller manipulatorer til flere formål ("multipurpose manipulators") i ISO 8373, er et andet vigtigt element i de fleste robotter. Der er en bred vifte af endeeffektorer, herunder gribere, dedikerede procesværktøjer som skruetrækkere, malersprøjter eller svejsere, og sensorer, herunder kameraer. De kan være pneumatiske, elektriske eller hydrauliske. Nogle endeeffektorer kan rotere, hvilket giver robotten endnu en frihedsgrad.

De følgende afsnit begynder med IFR-definitionen for hver robottopologi og undersøger derefter deres muligheder og anvendelser.

Leddelte robotter har tre eller flere roterende led.

Dette er en stor klasse af robotter. Leddelte robotter kan have ti eller flere akser, hvoraf seks er de mest almindelige. Robotter med seks akser kan bevæge sig i x-, y- og z-planer og rotere i hældningsvinkel, yaw-vinkel og rullevinkel, så de kan efterligne bevægelsen af en menneskearm.

De fås også med en bred vifte af nyttelastkapaciteter fra under 1 kg til over 200 kg. Disse robotters rækkevidde varierer også meget fra under 1 meter til flere meter. For eksempel er KR 10 R1100-2 fra KUKA en seksakset leddelt robot med en maksimal rækkevidde på 1.101 mm, en maksimal nyttelast på 10,9 kg og en gentagelsesnøjagtighed på ±0,02 mm (figur 1). Den har også højhastighedsbevægelser, korte cyklustider og et integreret energiforsyningssystem.

Figur 1: en seks-akset leddelt robot med en gentagelsesnøjagtighed på ±0,02 mm. (Billedkilde: DigiKey)

Leddelte robotter kan monteres permanent på gulv, væg eller loft. De kan også monteres på skinner på gulvet eller over hovedet oven på en autonom mobilrobot eller en anden bevægelig platform og flyttes mellem arbejdsstationer.

De bruges til forskellige opgaver, herunder materialehåndtering, svejsning, maling og inspektion. Leddelte robotter er den mest almindelige topologi til implementering af kollaborative robotter (cobots), der er designet til at arbejde sammen med mennesker. Mens en konventionel robot arbejder i et sikkerhedsbur med sikkerhedsbarrierer, er en cobot designet til tæt interaktion med mennesker. LXMRL12S0000-cobotten fra Schneider Electric har f.eks. en maksimal rækkevidde på 1.327 mm, en maksimal nyttelast på 12 kg og en gentagelsesnøjagtighed på ±0,03 mm. Cobots har ofte kollisionsbeskyttelse, afrundede kanter, kraftgrænser og lavere vægt for at øge sikkerheden.

En kartesisk robot (også kaldet en rektangulær robot, lineær robot eller gantry-robot) har en manipulator med tre prismatiske led, hvis akser danner et kartesisk koordinatsystem.

Modificerede kartesiske robotter fås med to prismatiske led. Alligevel opfylder de ikke ISO 8373-kravet om, at de skal være "programmerbare i tre eller flere akser" og er derfor ikke teknisk set robotter.

Der er mere end én måde at konfigurere tre prismatiske led på, og derfor er der mere end én måde at konfigurere en kartesisk robot på. I en grundlæggende kartesisk topologi er alle tre led retvinklet, hvor det ene bevæger sig i x-aksen og er fastgjort til et andet, der bevæger sig i y-aksen, som er fastgjort til et tredje, der bevæger sig i z-aksen.

Selvom den ofte bruges som synonym for en kartesisk robot, er gantry-topologien ikke identisk. Ligesom en grundlæggende kartesisk robot understøtter gantry-robotter lineære bevægelser i det tredimensionelle rum. Men gantry-robotter er konfigureret med to basis x-akseskinner, en understøttet y-akseskinne, der spænder over de to x-akser, og en udkraget z-akse, der er fastgjort til y-aksen. For eksempel er DLE-RG-0012-AC-800-800-500 fra Igus en gantry-robot med et arbejdsområde på 800 mm x 800 mm x 500 mm, som kan bære op til 5 kg og bevæge sig med op til 1,0 m/s med en gentagelsesnøjagtighed på ±0,5 mm (figur 2).

Figur 2: gantry-robot med et arbejdsområde på 800 mm x 800 mm x 500 mm. (Billedkilde: Igus)

Den cylindriske robot har en manipulator med mindst ét roterende led og mindst ét prismatisk led, hvis akser danner et cylindrisk koordinatsystem.

Cylindriske robotter er relativt enkle og kompakte, og deres begrænsede bevægelsesområde gør dem nemme at programmere. De er mindre almindelige end deres mere komplekse fætre. Alligevel er de særligt velegnede til anvendelser som slibeprocesser, palletering, svejsning (især punktsvejsning) og materialehåndtering, f.eks. læsning og aflæsning af halvlederskiver i kassetter i en fabrikation af integrerede kredsløb (figur 3).

Figur 3: Denne cylindriske robot har et roterende og et prismatisk led. (Billedkilde: Association for Advancing Automation)

Cylindriske robotter bevæger sig typisk med hastigheder imellem 1 til 10 m/s, og de kan være designet til at bære tunge byrder. Cylindriske robotter finder anvendelse i bilindustrien, medicinalindustrien, føde- og drikkevareindustrien, rumfartsindustrien, elektronikindustrien og andre industrier.

Parallel/delta-robotten er en manipulator, hvis arme har links, der danner en lukketsløjfe-struktur.

Mens andre robotter, som cylindriske eller kartesiske topologier, er opkaldt efter deres bevægelse, er deltarobotten opkaldt efter sin omvendte, trekantede form. Delta-robotter har imellem 2 og 6 akser, hvor 2- og 3-aksede designs er de mest almindelige. Ligesom 2-aksede kartesiske robotter, opfylder 2-aksede delta-robotter teknisk set ikke kravene i ISO 8373 for at blive kaldt robotter.

Delta-robotter er designet til hastighed snarere end styrke. De er monteret over arbejdsområdet og udfører funktioner som pluk-og-placer, sortering, adskillelse og emballering. De findes ofte over et transportbånd, der flytter dele ned ad en produktionslinje. Griberen er forbundet med lange, slanke, mekaniske koblinger. Disse koblinger fører til tre eller fire store motorer ved robottens base. Den anden ende af koblingerne er fastgjort til en værktøjsplade, hvor EOAT'en er fastgjort.

RBTX-IGUS-0047 fra Igus er et eksempel på en 3-akset deltarobot. Dens arbejdsområde har en diameter på 660 mm og kan håndtere en maksimal belastning på 5 kg. Når den håndterer en last på 0,5 kg, kan den udføre 30 pluk i minuttet med en maksimal hastighed på 0,7 m/s og en acceleration på 2 m/s². Den har en gentagelsesnøjagtighed på ±0,5 mm (figur 4).

Figur 4: tre-akset delta-robot og robotkontroller (venstre). (Billedkilde: DigiKey)

Polær robot (sfærisk robot) er en manipulator med to roterende led og et prismatisk led, hvis akser danner et polært koordinatsystem.

Et af de roterende led gør det muligt for en polærrobot at rotere omkring den lodrette akse, der strækker sig op fra basen. Det andet rotationsled er vinkelret på det første rotationsled og gør det muligt for robotarmen at svinge op og ned. Endelig gør det prismatiske led det muligt for robotarmen at forlænge eller trække sig tilbage fra den lodrette akse.

Selvom polære robotter er enkle i konstruktionen, har de ulemper, der begrænser deres anvendelse sammenlignet med andre topologier som leddelte, kartesiske og SCARA-robotter:

• Det sfæriske koordinatsystem gør programmeringen mere kompleks.
• De har typisk en mere begrænset nyttelastkapacitet end andre typer robotter.
• De er langsommere end andre robotter.

Blandt de største fordele ved polære robotter er et stort arbejdsområde og høj præcision. De bruges til værktøjsmaskiner, montagearbejde, materialehåndtering på samlebånd i bilindustrien og gas- og lysbuesvejsning.

SCARA-robot (fra "selectively compliant arm for robotic assemblies” - selektivt smidig arm til robotanlæg), er en manipulator med to parallelle rotationsled, der giver smidighed i en valgt plan.

En grundlæggende SCARA-robot har tre frihedsgrader, hvoraf den tredje kommer fra en roterende endeeffektor. SCARA-robotter fås også med et ekstra roterende led til i alt fire frihedsgrader, hvilket muliggør mere komplekse bevægelser.

SCARA-robotter bruges ofte i pluk-og-placer- eller montageopgaver, hvor der er behov for høj hastighed og stor nøjagtighed. For eksempel er Dobots M1-PRO en 4-akset SCARA-robot med en arbejdsradius på 400 mm, en maksimal nyttelast på 1,5 kg og en gentagelsesnøjagtighed på ±0,02 mm. Den har sensorfri kollisionsdetektering og ”drag-to-teach-programmering” (træk-til-lær-programmering), hvilket gør den velegnet til brug som cobot såvel som en selvstændig robot (figur 5).

Figur 5: SCARA-robot med fire-akser og en gentagelsesnøjagtighed på ±0,02 mm. (Billedkilde: DigiKey)

Konklusion

Alle industrirobotter opfylder ISO 8373-kravet om at være automatisk styret med en omprogrammerbar, multifunktionel manipulator. Det er dog ikke alle design, der har et defineret antal akser til en bestemt topologi. Delta- og kartesiske robotter fås med færre end det definerede antal akser, mens nogle SCARA-robotter har flere akser end defineret af IFR.