Jaké jsou klíčové faktory používané ke klasifikaci průmyslových robotů?

V továrnách Průmyslu 4.0 pracují po celém světě miliony průmyslových robotů. Používají se ke zvýšení rychlosti výroby, zlepšení kvality, snížení nákladů a podpoře flexibilnějších a udržitelnějších operací. Vzhledem k důležitosti průmyslových robotů vyvinula Mezinárodní organizace pro normalizaci („International Organization for Standardization“, ISO) normu 8373:2021, Roboty a robotická zařízení – slovník („Robotics Vocabulary“), která definuje pojmy používané v robotice a poskytuje společný jazyk pro diskuzi o mnoha typech robotů a jejich aplikacích.

Mezinárodní federace robotů („International Federation of Robots“, IFR) použila klíčové pojmy definované v normě ISO 8373:2021 k určení šesti klasifikací robotů na základě jejich mechanické konstrukce, včetně následujících:

• Článkový
• Kartézský
• Válcový
• Paralelní/delta
• Polární
• SCARA

V tomto článku je shrnuta norma ISO 8373:2021 se zaměřením na čtyři klíčové pojmy, které definují robot, se zaměřením na potřebu přeprogramovatelnosti a typy a počty kloubů robotů, které federace IFR použila k vytvoření klasifikací robotů. Článek se poté věnuje detailům a nuancím jednotlivých klasifikací robotů a představuje příklady robotů od několika výrobců. Zároveň se článek zabývá také systémy nazývanými roboty, které všechny požadavky normy ISO nesplňují.

Norma ISO 8373:2021 definuje průmyslový robot jako „automaticky řízený, přeprogramovatelný, víceúčelový manipulátor, programovatelný ve třech nebo více osách, který může být buď upevněn na místě, nebo připevněn k mobilní platformě pro použití v automatizačních aplikacích v průmyslovém prostředí“.

Zásadním rozlišovacím prvkem je přeprogramovatelnost. Některé průmyslové stroje mohou mít manipulátory a pohybovat se ve více osách. Zvládnou specifické úkoly, jako je odebírání lahví na plnicí lince nápojů a jejich vkládání do krabice. Ale není to robot, pokud je určen pouze k tomuto jedinému účelu a není přeprogramovatelný. Pojem „přeprogramovatelný“ je definován v normě ISO 8373 jako „navržený tak, že naprogramované pohyby nebo pomocné funkce lze měnit bez fyzických změn“.

Typy a počty kloubů robotů

V normě ISO 8373 jsou definovány dva typy kloubů robotů:

• Prismatický kloub nebo kluzný pohyblivý kloub je sestava mezi dvěma vazbami, která jedné umožňuje lineární pohyb ve vztahu ke druhé.
• Rotační pohyblivý kloub nebo otočný pohyblivý kloub je sestava mezi dvěma vazbami, která umožňuje jedné se otáčet ve vztahu ke druhé při zachování pevné osy.

Federace IFR použila tyto a další definice normy ISO 8373 k určení šesti klasifikací průmyslových robotů na základě jejich mechanické struktury nebo topologie. Různé topologie robotů mají kromě toho různý počet os, a tedy i různý počet kloubů.

Počet os je klíčovou charakteristikou průmyslových robotů. Počet os a jejich typy určuje rozsah pohybu robotu. Každá osa představuje nezávislý pohyb nebo stupeň volnosti. Více stupňů volnosti vede k tomu, že je robot schopen se pohybovat ve větších a složitějších prostorech. Některé typy robotů mají pevný počet stupňů volnosti, zatímco jiné mohou mít různé počty stupňů volnosti.

Dalším důležitým prvkem většiny robotů jsou koncové efektory, v normě ISO 8373 nazývané také EOAT („end-of-arm tooling“) nebo „víceúčelové manipulátory“. Existuje široká škála koncových efektorů, včetně chapadel, specializovaných procesních nástrojů, jako jsou šroubováky, stříkací pistole nebo svářečky, a senzorů, včetně kamer. Mohou být pneumatické, elektrické nebo hydraulické. Některé koncové efektory se mohou otáčet, čímž robot získává další stupeň volnosti.

Následující části začínají definicí federace IFR pro jednotlivé topologie robotů a poté pojednávají o jejich schopnostech a aplikacích.

Článkové roboty mají tři nebo více rotačních kloubů.

Jedná se o velkou třídu robotů. Článkové roboty mohou mít deset nebo více os, nejčastěji šest. Šestiosé roboty se mohou pohybovat v rovinách x, y a z a mohou se naklánět, odklánět a natáčet, což jim umožňuje napodobovat pohyb lidské ruky.

Jsou také k dispozici se širokým rozsahem nosnosti od méně než 1 kg do více než 200 kg. Dosah těchto robotů se také značně liší od méně než 1 metru až po několik metrů. Například model KR 10 R1100-2 je šestiosý článkový robot společnosti KUKA s maximálním dosahem 1 101 mm, maximální nosností 10,9 kg a opakovatelností polohy ± 0,02 mm (obrázek 1). Vyznačuje se také vysokou rychlostí pohybů, krátkou dobou cyklů a integrovaným systémem napájení.

Obrázek 1: Šestiosý článkový robot s opakovatelností polohy ± 0,02 mm. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Článkové roboty lze trvale namontovat na podlahu, stěnu nebo strop. Lze je také namontovat na pásy na podlaze nebo nad hlavou, na autonomní mobilní robot nebo jinou pohyblivou plošinu a přemisťovat je mezi pracovními stanicemi.

Používají se pro různé úkoly, včetně manipulace s materiálem, svařování, lakování a kontroly. Článkové roboty jsou nejběžnější topologií pro implementaci kolaborativních robotů (kobotů) určených pro práci s lidmi. Zatímco běžný robot pracuje v bezpečnostní kleci s bezpečnostními bariérami, kobot je navržen pro úzkou interakci s lidmi. Například kobot LXMRL12S0000 společnosti Schneider Electric má maximální dosah 1 327 mm, maximální nosnost 12 kg a opakovatelnost polohy ± 0,03 mm. Koboty se často vyznačují ochranou proti kolizi, zaoblenými hranami, omezením síly a nižší hmotností pro vyšší bezpečnost.

Kartézský robot (někdy nazývaný pravoúhlý robot, lineární robot nebo portálový robot) má manipulátor se třemi prismatickými klouby, jejichž osy tvoří kartézský souřadnicový systém.

Modifikované kartézské roboty jsou k dispozici se dvěma prismatickými klouby. Přesto nesplňují požadavek normy ISO 8373, že musí být „programovatelné ve třech nebo více osách“, a technicky tedy nejsou roboty.

Existuje více než jeden způsob konfigurace tří prismatických kloubů, a tedy více než jeden způsob konfigurace kartézského robotu. V základní kartézské topologii jsou všechny tři klouby v pravém úhlu, přičemž jeden se pohybuje v ose x, je připojen k druhému, který se pohybuje v ose y, a který je připojen ke třetímu, který se pohybuje v ose z.

Ačkoli se portálová topologie často používá jako synonymum pro kartézský robot, není totožná. Stejně jako základní kartézské roboty podporují i portálové roboty lineární pohyby v trojrozměrném prostoru. Portálové roboty jsou však konfigurovány se dvěma základními kolejnicemi osy x, podepřenou kolejnicí osy y, která překlenuje dvě osy x, a konzolovou osou z, která je připevněna k ose y. Například model DLE-RG-0012-AC-800-800-500 společnosti Igus je portálový robot s pracovním prostorem 800 mm × 800 mm × 500 mm, který unese až 5 kg a pohybuje se rychlostí až 1,0 m/s s opakovatelností ± 0,5 mm (obrázek 2).

Obrázek 2: Portálový robot s pracovním prostorem 800 mm × 800 mm × 500 mm. (Zdroj obrázku: společnost Igus)

Válcový robot má manipulátor s alespoň jedním rotačním kloubem a alespoň jedním prismatickým kloubem a osy robotu tvoří válcový souřadnicový systém.

Válcové roboty jsou relativně jednoduché a kompaktní a jejich omezený rozsah pohybu usnadňuje jejich programování. Jsou méně časté než jejich složitější příbuzní. Přesto jsou zvláště vhodné pro aplikace, jako je broušení, paletizace, svařování (zejména bodové svařování) a manipulace s materiálem, například vkládání polovodičových waferů do kazet při výrobě integrovaných obvodů a jejich vyjímání (obrázek 3).

Obrázek 3: Tento válcový robot má jeden rotační a jeden prismatický kloub. (Zdroj obrázku: Asociace pro pokrok v automatizaci („Association for Advancing Automation“))

Válcové roboty se obvykle pohybují rychlostí 1 až 10 m/s a mohou být navrženy tak, aby přepravovaly těžká břemena. Aplikace pro válcové roboty lze nalézt v automobilovém, farmaceutickém, potravinářském a nápojovém průmyslu, letectví, elektronice a dalších průmyslových odvětvích.

Paralelní/delta robot je manipulátor, jehož ramena mají vazbu, která tvoří uzavřenou smyčkovou strukturu.

Zatímco ostatní roboty, jako jsou válcové nebo kartézské topologie, jsou pojmenovány podle svého pohybu, delta robot je pojmenován podle svého tvaru obráceného trojúhelníku. Delta roboty mají 2 až 6 os, přičemž nejběžnější jsou 2- a 3osé konstrukce. Stejně jako 2osé kartézské roboty, 2osé delta roboty technicky nesplňují požadavky normy ISO 8373, aby mohly být nazývány roboty.

Delta roboty jsou navrženy spíše pro rychlost než sílu. Jsou namontovány nad pracovním prostorem a provádějí funkce, jako je „pick-and-place“, třídění, demontáž a balení. Často se nacházejí nad dopravníkem, který posouvá díly po výrobní lince. Chapadlo je připojeno k dlouhým, štíhlým mechanickým táhlům. Tato táhla vedou ke třem nebo čtyřem velkým motorům v základně robotu. Druhý konec táhel je připevněn k nástrojové desce, na kterou se připojuje EOAT.

Příkladem 3osého delta robotu je model RBTX-IGUS-0047 společnosti Igus. Má průměr pracovního prostoru 660 mm a zvládne maximální zatížení 5 kg. Při manipulaci s břemenem o hmotnosti 0,5 kg může provést 30 zdvihů za minutu s maximální rychlostí 0,7 m/s a zrychlením 2 m/s². Robot má opakovatelnost ± 0,5 mm (obrázek 4).

Obrázek 4: Tříosý delta robot a řídicí jednotka (vlevo). (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Polární robot (sférický robot) je manipulátor se dvěma rotačními klouby a jedním prismatickým kloubem, jehož osy tvoří polární souřadnicový systém.

Jeden z rotačních kloubů umožňuje polárnímu robotu otáčení kolem svislé osy, která vychází ze základny. Druhý rotační kloub je v pravém úhlu k prvnímu rotačnímu kloubu a umožňuje ramenu robotu kývání nahoru a dolů. A konečně prismatický kloub umožňuje ramenu robotu vysunování nebo zasunování z vertikální osy.

Polární roboty mají sice jednoduchou konstrukci, ale také nevýhody, které omezují jejich použití ve srovnání s jinými topologiemi, jako jsou článkové a kartézské roboty a roboty SCARA:

• Kvůli sférickému souřadnicovému systému je jejich programování složitější.
• Roboty mají obvykle omezenější nosnost než jiné typy robotů.
• Jsou pomalejší než ostatní roboty.

Mezi hlavní výhody polárních robotů patří velký pracovní prostor a vysoká přesnost. Používají se k obsluze obráběcích strojů, montážním operacím, manipulaci s materiálem na montážních linkách v automobilovém průmyslu a ke svařování plynem a obloukovému svařování.

Robot SCARA („selectively compliant arm for robotic assemblies“, selektivně poddajné rameno pro robotické montáže) je manipulátor se dvěma paralelními otočnými pohyblivými klouby pro zajištění poddajnosti ve zvolené rovině.

Základní robot SCARA má tři stupně volnosti, třetí od rotujícího koncového efektoru. Roboty SCARA jsou k dispozici také s dalším otočným kloubem pro celkem čtyři stupně volnosti, což umožňuje složitější pohyby.

Roboty SCARA se často používají v aplikacích „pick-and-place“ nebo při montáži, kde je potřeba vysoká rychlost a přesnost. Například model M1-PRO společnosti Dobot je 4osý robot SCARA s pracovním poloměrem 400 mm, maximální nosností 1,5 kg a opakovatelností ± 0,02 mm. Je vybaven bezsenzorovou detekcí kolizí a programováním „drag-to-teach“, takže je vhodný pro použití jako kobot i jako samostatný robot (obrázek 5).

Obrázek 5: Čtyřosý robot SCARA s opakovatelností ± 0,02 mm. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Závěr

Všechny průmyslové roboty splňují díky přeprogramovatelnému víceúčelovému manipulátoru požadavek normy ISO 8373 na automatické ovládání. Ne každá konstrukce má však definovaný počet os pro danou topologii. Delta a kartézské roboty jsou k dispozici s menším než definovaným počtem os, zatímco některé roboty SCARA mají více os, než definuje federace IFR.