Hovedfaktorer som brukes til å klassifisere industriroboter

Millioner av industriroboter er aktive i Industri 4.0-fabrikker over hele verden. De brukes til å øke produksjonshastigheter, forbedre kvalitet, redusere kostnader og støtte mer fleksibel og bærekraftig drift. På grunn av betydningen av industrielle roboter, utviklet Den internasjonale standardiseringsorganisasjonen (ISO – International Organization for Standardization), standard 8373:2021, et vokabular for robotikk (Robotics Vocabulary), for å definere begreper som brukes i robotikk og gi et felles språk for å ta for seg de mange robottypene og deres bruksområder.

Det internasjonale forbundet for roboter (IFR – International Federation of Robots) brukte viktige begreper definert i ISO 8373:2021 til å identifisere seks robotklassifiseringer basert på deres mekaniske struktur, deriblant:

• Leddelt
• Kartesisk
• Sylindrisk
• Parallell/delta
• Polar
• SCARA

Denne artikkelen gjennomgår ISO 8373:2021, og ser på de fire viktige begrepene som definerer en robot, der fokuset ligger på behovet for omprogrammerbarhet og hvilke typer og antall robotledd som brukes av IFR for å utvikle robotklassifiseringer. Den ser deretter nærmere på detaljene og nyansene til hver robotklassifisering, og presenterer eksempelroboter fra flere produsenter. Underveis ser den også på systemer som kalles roboter som ikke oppfyller alle ISO-kravene.

ISO 8373:2021 definerer en industrirobot som en «automatisk styrt, omprogrammerbar, flerbruksmanipulator, som er programmerbar i tre eller flere akser, og som enten kan festes på en fast plass eller til en mobil plattform for bruk i automatiseringskonstruksjoner i et industrimiljø».

Omprogrammerbarhet er en viktig differensiator. Noen industrimaskiner kan ha manipulatorer og bevege seg i flere akser, og de kan håndtere bestemte oppgaver som å plukke opp flasker på en drikkevarefyllingslinje og plassere dem i en boks. Men den er ikke en robot hvis den er dedikert til bare ett formål og ikke kan omprogrammeres. «Omprogrammerbar» er definert i ISO 8373 som «konstruert slik at de programmerte bevegelsene eller hjelpefunksjonene kan endres uten fysiske endringer».

Typer og antall robotledd

ISO 8373 definerer to typer robotledd:

• Prismatisk skjøt, eller glideskjøt, er en sammenstilling mellom to ledd som gjør det mulig for den ene å ha en lineær bevegelse i forhold til den andre.
• Roterende ledd, eller dreieledd, er en sammenstilling som forbinder to ledd som gjør det mulig for det ene å rotere i forhold til det andre om en fast akse.

IFR har brukt disse og andre ISO 8373-definisjoner til å identifisere seks industrirobotklassifiseringer basert på deres mekaniske struktur eller topologi. I tillegg har forskjellige robottopologier ulike antall akser, og derfor ulike antall ledd.

Antall akser er en viktig egenskap for industriroboter. Antall akser og typene av disse fastsetter robotens bevegelsesområde. Hver akse representerer en uavhengig bevegelse eller frihetsgrad. Flere frihetsgrader resulterer i at en robot er i stand til å bevege seg gjennom større og mer komplekse områder. Noen robottyper har et fast antall frihetsgrader, mens andre kan ha ulike antall frihetsgrader.

Endeeffektorer, også kalt EOAT (end-of-arm tooling) eller «universalmanipulatorer» i ISO 8373, er et annet viktig element i de fleste roboter. Det finnes et bredt utvalg av endeeffektorer, som inkluderer gripere, dedikerte prosessverktøy som skrutrekkere, malingssprøyter eller sveisere og sensorer, som inkluderer kameraer. De kan være pneumatiske, elektriske eller hydrauliske. Noen endeeffektorer kan rotere, noe som gir roboten en ekstra frihetsgrad.

De følgende avsnittene begynner med IFR-definisjonen for hver robottopologi, og undersøker deretter funksjonaliteten og bruksområdene til disse.

Leddelte roboter har tre eller flere roterende ledd.

Dette er en stor klasse roboter. Leddelte roboter kan ha ti eller flere akser, der seks er det vanligste antallet. Seksaksede roboter kan bevege seg langs x-, y- og z-aksen og utføre stigning, giring og rullerotasjoner, slik at de kan etterligne bevegelsen til en menneskearm.

De er også tilgjengelige med et bredt utvalg av nyttelastkapasiteter, fra under 1 kg til over 200 kg. Rekkevidden til disse robotene varierer også kraftig, fra under 1 meter til flere meter. For eksempel er KR 10 R1100-2 fra Kuka en seksakset leddelt robot med en maksimal rekkevidde på 1101 mm, en maksimal nyttelast på 10,9 kg og en stillingsrepeterbarhet på ±0,02 mm (figur 1). Den har også høyhastighetsbevegelser, korte syklustider og et integrert energiforsyningssystem.

Figur 1: Seksakset leddelt robot med en stillingsrepeterbarhet på ±0,02 mm. (Bildekilde: DigiKey)

Leddelte roboter kan monteres permanent på gulvet, veggen eller i taket. De kan også monteres på skinner på gulvet eller høytliggende, oppå en autonom mobil robot eller annen bevegelig plattform, og den kan flyttes mellom arbeidsstasjoner.

De brukes til ulike oppgaver, inkludert materialhåndtering, sveising, maling og inspeksjon. Leddelte roboter er den vanligste topologien for implementering av samarbeidsroboter (cobot) som er utviklet for å arbeide med mennesker. En konvensjonell robot er virksom i et sikkerhetsbur med sikkerhetsbarrierer, mens en samarbeidsrobot er utviklet for tett samarbeid med mennesker. For eksempel har LXMRL12S0000-samarbeidsroboten fra Schneider Electric en maksimal rekkevidde på 1327 mm, en maksimal nyttelast på 12 kg og en stillingsrepeterbarhet på ±0,03 mm. Samarbeidsroboter har ofte kollisjonsbeskyttelse, avrundede kanter, kraftgrenser og lavere vekt, for å gi økt sikkerhet.

En kartesisk robot (noen ganger kalt en rektangulær robot, lineær robot eller brokranrobot) har en manipulator med tre prismatiske ledd som har akser som danner et kartesisk koordinatsystem.

Modifiserte kartesiske roboter er tilgjengelige med to prismatiske ledd. Likevel oppfyller de ikke ISO 8373-kravet om at de må være «programmerbare i tre eller flere akser», og er derfor teknisk sett ikke ansett som roboter.

Det er mer enn én måte å konfigurere tre prismatiske ledd på, og derfor mer enn én måte å konfigurere en kartesisk robot på. I en grunnleggende kartesisk topologi ligger alle tre leddene i rette vinkler, der en beveger seg i x-aksen, festet til en andre som beveger seg i y-aksen, som igjen er festet til en tredje som beveger seg i z-aksen.

Selv om brokran-topologien ofte brukes som et synonym for en kartesisk robot, er den ikke identisk. I likhet med en grunnleggende kartesisk robot, støtter brokranroboter lineære bevegelser i tredimensjonale rom. Brokranroboter er imidlertid konfigurert med to base-x-akseskinner, en støttet y-akseskinne som spenner over de to x-aksene og en utliggende z-akse festet til y-aksen. For eksempel er DLE-RG-0012-AC-800-800-500 fra Igus, en brokranrobot med et arbeidsområde på 800 mm x 800 mm x 500 mm, som kan bære opptil 5 kg og bevege seg i opptil 1,0 m/s med en repeterbarhet på ±0,5 mm (Figur 2).

Figur 2: Brokran-robot med et arbeidsområde på 800 mm x 800 mm x 500 mm. (Bildekilde: Igus)

En sylindrisk robot har en manipulator med minst ett roterende ledd og minst ett prismatisk ledd, der aksene danner et sylindrisk koordinatsystem.

Sylindriske roboter er relativt enkle og kompakte, og det begrensede bevegelsesområdet deres gjør dem enkle å programmere. De er mindre vanlige enn de alternative, mer komplekse robottypene. Likevel er de spesielt godt egnet for bruksområder som slipeprosesser, palletering, sveising (spesielt punktsveising) og materialhåndtering, for eksempel lasting og lossing av halvleder-wafere i kassetter i en virksomhet som produserer IC-er (integrerte kretser) (figur 3).

Figur 3: Denne sylindriske roboten har ett roterende og prismatisk ledd. (Bildekilde: Association for Advancing Automation)

Sylindriske roboter beveger seg vanligvis med hastigheter på 1 til 10 m/s, og de kan være konstruert for å bære tunge laster. Bruksområder for sylindriske roboter er å finne i industrier som omfatter kjøretøy, apotek, mat- og drikkevare, romfart, elektronikk, med mer.

Parallell/delta-robot er en manipulator med armer som har ledd som danner en lukket-sløyfe-struktur.

Mens andre roboter, for eksempel sylindriske eller kartesiske topologier, er oppkalt etter bevegelsene de kan utføre, er delta-roboten oppkalt etter sin opp-ned-trekantform. Delta-roboter har 2 til 6 akser, der 2- og 3-aksede konstruksjoner er mest vanlig. I likhet med 2-aksede kartesiske roboter, oppfyller ikke 2-aksede delta-roboter kravene i ISO 8373 for å bli kalt roboter.

Delta-roboter er konstruert for hastighet i stedet for styrke. De er montert over arbeidsområdet og utfører plukkrobot-funksjoner, sortering, demontering og innpakking. De er ofte å finne over et transportbånd, og de beveger deler nedover langs en produksjonslinje. Griperen er koblet til lange, slanke mekaniske ledd. Disse forbindelsene leder til tre eller fire store motorer ved robotens base. Den andre enden av forbindelsene er festet til en verktøyplate der endeeffektoren (EOAT-en) festes.

RBTX-IGUS-0047 fra Igus er et eksempel på en treakset delta-robot. Den har en arbeidsområdediameter på 660 mm og kan håndtere en maksimal belastning på 5 kg. Under håndtering av laster på 0,5 kg, kan den utføre 30 plukk per minutt med en maksimal hastighet på 0,7 m/s og en akselerasjon på 2 m/s². Den har en repeterbarhet på ±0,5 mm (figur 4).

Figur 4: Treakset delta-robot og styring (venstre). (Bildekilde: DigiKey)

Polar-robot (sfærisk robot) er en manipulator med to roterende ledd og ett prismatisk ledd, der aksene danner et polart koordinatsystem.

En av de roterende leddene gjør det mulig for en polar-robot å rotere rundt den vertikale aksen som strekker seg opp fra basen. Det andre roterende leddet ligger vinkelrett på det første roterende leddet og gjør det mulig for robotarmen å svinge opp og ned. Til slutt gjør det prismatiske leddet det mulig for robotarmen å strekke seg ut eller trekke seg tilbake fra den vertikale aksen.

Polar-roboter, selv om de er enkle å konstruere, har ulemper som begrenser bruken sammenlignet med andre topologier som leddelte og kartesiske roboter og SCARA-roboter:

• Det sfæriske koordinatsystemet gjør programmering mer kompleks.
• De har vanligvis en mer begrenset nyttelastkapasitet enn andre typer roboter.
• De er tregere enn andre roboter.

Hovedfordelene til polar-roboter er et stort arbeidsområde og høy presisjon. De brukes til maskinverktøybetjening, monteringsvirksomheter, materialhåndtering på bilmonteringslinjer og gass- og buesveising.

SCARA-robot (SCARA – selectively compliant arm for robotic assemblies) er en manipulator med to parallelle roterende ledd for å gi fjæringsmykhet (compliance) i et valgt plan.

En grunnleggende SCARA-robot har tre frihetsgrader, der den tredje er fra en roterende endeeffektor. SCARA-roboter er også tilgjengelige med et ekstra roterende ledd for å gi totalt fire frihetsgrader, noe som muliggjør mer komplekse bevegelser.

SCARA-roboter brukes ofte i plukkrobot- eller monteringskonstruksjoner, der det er behov for høy hastighet og høy nøyaktighet. For eksempel er Dobot sin M1-PRO en 4-akset SCARA-robot med en arbeidsradius på 400 mm, en maksimal nyttelast på 1,5 kg og en repeterbarhet på ±0,02 mm. Den har sensorfri kollisjonsdeteksjon og dra-for-opplæring-programmering, noe som gjør den egnet for bruk som både samarbeidsrobot og frittstående robot (figur 5).

Figur 5: Fireakset SCARA-robot med en repeterbarhet på ±0,02 mm. (Bildekilde: DigiKey)

Konklusjon

Alle industriroboter oppfyller ISO 8373-kravet, som omfatter å bli automatisk styrt med en omprogrammerbar universalmanipulator. Ikke alle konstruksjoner har et definert antall akser for en bestemt topologi. Delta-roboter og kartesiske roboter er tilgjengelige med færre enn det definerte antallet akser, mens noen SCARA-roboter har flere akser enn det som er definert av IFR.