Roboty przemysłowe o równoległej strukturze kinematycznej

Mechanizmy o przestrzennych łańcuchach kinematycznych

Poprawne działanie mechanizmów robotów zależy od właściwego uszeregowania odpowiedniej liczby par kinematycznych. W szeregowej strukturze błędy pozycjonowania poszczególnych członów są sumowane. Roboty przemysłowe o szeregowej strukturze kinematycznej są powszechnie stosowane i spełniają podstawowe wymagania różnorodnych procesów przemysłowych. Jednak nie do wszystkich zadań takie roboty przemysłowe się nadają, są bowiem procesy przebiegające bardzo szybko (np. produkty rozrzucone na taśmie transportowej, poruszającej się z dużą prędkością) oraz procesy, w których wymagana jest duża sztywność mechanizmu, przy działających zmiennych wartościach sił obciążających. Wprawdzie dostępne są roboty przemysłowe o bardzo dużym udźwigu (nawet powyżej 1000 kg), lecz nie spełniają one warunków niezbędnych przy obróbce skrawaniem.

W wielu ośrodkach naukowo-badawczych prowadzi się prace nad rozwojem mechanizmów o równoległych strukturach kinematycznych, przewidując ich zastosowania w robotach, obrabiarkach, platformach roboczych i symulatorach ruchu. Prace nad budową robotów o równoległej strukturze kinematycznej rozpoczęto w latach 90. ubiegłego wieku. W 1985 r. w Szwajcarii zbudowano pierwszego robota równoległego, przeznaczonego do manipulowania lekkimi obiektami z bardzo dużą prędkością.

W robotyce występują następujące typy robotów równoległych:

• tripod – o trzech ramionach, rozmieszczonych co 120°, nazywany też robotem delta,
• quattro – o czterech ramionach, rozmieszczonych co 90°,
• hexapod – o sześciu ramionach, nazywany Platformą Stewarta.

Najbardziej rozpowszechnione są roboty typu delta.

Delta robot

Robot delta składa się z:

• podstawy (ramy nośnej, umieszczonej nad obszarem roboczym), w której znajdują się wszystkie zespoły napędowe,
• trzech dwuczłonowych ramion, łączących zespoły napędowe z położoną niżej platformą,
• trójkątnej platformy, do której mocowane są chwytaki lub narzędzia.

Umieszczenie ciężkich zespołów napędowych w nieruchomej podstawie oraz zastosowanie lekkich materiałów (często kompozytów) do budowy ramion oraz platformy powoduje, że ruchome części mają małą bezwładność i możliwe jest uzyskiwanie bardzo dużych przyspieszeń. Dodatkową zaletą tego rozwiązania jest zwiększona sztywność układu, uzyskana dzięki połączeniu platformy z podstawą trzema ramionami.

Typowy robot delta realizuje ruchy tylko w układzie kartezjańskim, tzn. tylko ruch w osiach X, Y i Z, bez obrotu platformy. W niektórych rozwiązaniach firmowych wprowadzono dodatkowy, czwarty stopień swobody, czyli obrót platformy. Większość producentów robotów przemysłowych oferuje roboty typu delta.

ABB

W 1999 r. firma ABB rozpoczęła sprzedaż robota FlexPicker model IRB 340. Przed kilkoma laty wprowadzono robot „drugiej generacji” FlexPicker IRB 360 o zwiększonej prędkości, podwyższonym udźwigu oraz mniejszej powierzchni instalacyjnej. W robocie zastosowano włókna węglowe do budowy ramion oraz nową platformę, zdolną do przenoszenia większych ciężarów. Platforma może być również obracana, robot ma więc cztery stopnie swobody. Dzięki zmniejszonej bezwładności możliwe jest realizowanie do 100 cykli na minutę oraz pobieranie z taśmy nawet 500 produktów w ciągu minuty. Roboty te są dostępne w wersjach cleanroom oraz w wykonaniu ze stali kwasoodpornej i mogą być stosowane w przemyśle spożywczym. Można je czyścić metodami przemysłowymi.

Roboty IRB 360 dostępne są w czterech wersjach:

• kompaktowej o zasięgu 800 mm,
• standardowej o zasięgu zwiększonym do 1130 mm,
• o dużym udźwigu, zwiększonym do 8 kg,
• z wydłużonym ramieniem, o udźwigu 1 kg i zasięgu 1600 mm.

Zastosowano już ponad 6 tys. robotów typu delta, głównie w procesach zbierania produktów z taśmy i ich pakowania.

Adept

Roboty równoległe firmy Adept różnią się od robotów typu delta liczbą ramion oraz liczbą stopni swobody. Mają cztery ramiona oraz cztery stopnie swobody – są to roboty typu quattro. Obrót platformy, w zależności od wykonania, może być realizowany dla obu typów robotów (s650H i s800H) w zakresach: ±46,25°, ±92,5° lub ±185°. Masa obu robotów jest jednakowa i wynosi 117 kg.

Codian

Codian Robotics jest nową, amerykańską firmą, założoną w 2011 r. Wcześniej była ona oddziałem firmy produkującej maszyny do pakowania, głównie dla przemysłu farmaceutycznego. Firma Codian Robotics zajmuje się projektowaniem i produkcją robotów typu delta. Do budowy robotów stosuje włókna węglowe, anodyzowane aluminium, elementy plastikowe, a nawet tytanowe. Roboty te mogą przenosić przyśpieszenia do 15 g. Roboty typu D2 mają dwa lub trzy stopnie swobody, a roboty typu D4 – trzy lub cztery stopnie swobody. Firma reklamuje roboty o kinematyce równoległej jako bardzo szybkie, ciche i czyste. Czas realizacji cyklu 25 mm × 305 mm × 25 mm dla robota D4-500 przy pełnym obciążeniu 2 kg wynosi 1 s, a dla robotów D4-800 i D4-1000 przy obciążeniu 3 kg wynosi 0,6 s.

FANUC

Firma FANUC w 2009 r. wprowadziła na rynek pierwszego, lekkiego robota równoległego M-1iA, w 2010 r. – robota M-3iA do cięższych obiektów, a w 2012 r. – robota M-2iA dla średnich obciążeń.

Robot M-1iA jest produkowany w dwóch wersjach: czteroosiowej i sześcioosiowej, przeznaczonych specjalnie do montażu. Robot M-2iA ma cztery osie i używany jest głównie do przenoszenia obiektów z taśmy produkcyjnej. Robot oferowany jest także w dwóch wersjach różniących się długością ramion, umożliwiających zwiększenie obszaru pracy. Robot M-3iA jest produkowany w trzech wersjach: trójosiowej, czteroosiowej i sześcioosiowej, o udźwigach 6 kg i 12 kg. Roboty tej serii są także stosowane w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym, w których charakterystyczne są szybkie procesy. Aby spełnić wysokie wymagania higieniczne, roboty M-3iA pokryto warstwą epoksydową i zastosowano odpowiednie smary (odporne na mycie środkami stosowanymi w przemyśle spożywczym). Firma oferuje również specjalne wykonanie robota M-3iA do zastosowania w branży spożywczej – w tej wersji robot został pokryty białym epoksydowym materiałem ochronnym, a nie, jak pozostałe, materiałem w charakterystycznym żółtym kolorze. Robot M-3iA jest wyposażony w sterownik R-30iA Mate z wbudowanym systemem wizyjnym iRVision.

Robot M-1iA był prezentowany przez FANUC Robotics Polska podczas Międzynarodowych Targów Automatyki i Pomiarów Automaticon 2010, gdzie został wyróżniony Złotym Medalem. Robot M-1iA ma strukturę równoległą i jest oferowany w dwóch wersjach: czteroosiowej i sześcioosiowej, o jednakowym maksymalnym udźwigu 0,5 kg. Robot M-1iA/0.5S ma cztery osie i jest przeznaczony głównie do szybkiego pakowania. Robot M-1iA/0.5A ma sześć osi i jest przeznaczony do montażu elastycznego. Roboty serii M-1iA są sterowane za pomocą kontrolera R-30iA Mate, współpracującego z systemem wizyjnym FANUC iRVision oraz systemem sensorycznym, np. czujnikiem siły FANUC Force Sensor. Roboty serii M-1iA, dzięki zwartej budowie i lekkiemu mechanizmowi (dla wersji sześcioosiowej masa ramienia wynosi 23 kg), mogą przemieszczać się z bardzo dużymi prędkościami: przy pakowaniu – do 3000°/s, a przy montażu – prawie 1500°/s. Roboty najczęściej są montowane nad stanowiskiem, co ułatwia dostęp od góry do obiektów manipulacji w przestrzeni roboczej o średnicy 280 mm i wysokości 100 mm. Roboty serii M-1iA są stosowane w przemyśle elektronicznym do przekładania elementów i sortowania, do pakowania oraz do montażu – w szczególności elastyczny nadgarstek, o ruchliwości porównywalnej z nadgarstkiem człowieka (japońska nazwa robota FANUC Genkotsu oznacza „dłoń” lub „pięść”), umożliwia zautomatyzowanie tak skomplikowanych zadań, jak wkładanie wałka do tulejki.

Festo

Firma Festo oferuje cztery wersje robota Tripod EXPT o udźwigu 5 kg, różniące się masą oraz wielkością obsługiwanej przestrzeni roboczej. Warto zauważyć, że te rozwiązania są lżejsze i mają większy udźwig niż roboty oferowane przez inne firmy, przy takich samych parametrach dokładnościowych i prędkościowych. W jednostce kinematycznej zastosowano oryginalny system napędowy, składający się z serwonapędu elektrycznego, przetwornika położenia oraz pasowej przekładni zębatej. Liniowe przemieszczenia trzech osi są cięgnami przekazywane przez obrotowe przeguby na platformę, do której mogą być mocowane chwytaki lub przyssawki. Taka konstrukcja zapewnia dużą sztywność oraz niewielkie wartości mas będących w ruchu. Dzięki temu możliwe jest osiąganie bardzo dużych przyspieszeń – ok. 100 m/s² i dużej prędkości pracy – do 7 m/s. W zależności od obciążenia można realizować od 70 (przy pełnym obciążeniu) do 116 cykli na minutę (przy obciążeniu 1 kg).

Typowe wyposażenie stanowiska z robotem Tripod EXPT stanowią: sterownik CMXR-C2, PC z oprogramowaniem FCT (ang. Festo Configuration Tool), panel operatora CDSA oraz karta pamięci USB z danymi parametrami użytkownika. Możliwe jest pozycjonowanie chwytaka w trybie PTP (punktowo) lub LIN (liniowo) albo CIRC (kołowo).

Główne zastosowania robota Tripod EXPT to operacje typu pick&place, takie jak sortowanie i pakowanie. Roboty te zastosowano także w montażu oraz do nanoszenia kleju.

Kawasaki

Firma Kawasaki Robotics oferuje roboty przemysłowe o udźwigach od 3 kg do 700 kg i zainstalowała ponad 100 tys. robotów na świecie. W ofercie ma również robot typu delta, model YF03N, o czterech stopniach swobody, z opcjonalną wersją piątej osi. Maksymalna prędkość liniowa robota wynosi 10 tys. mm/s, umożliwiając osiąganie krótkich czasów cyklu 0,27 s przy obciążeniu 1 kg i 0,46 s przy obciążeniu 3 kg. Robot ten, zintegrowany z systemem wizyjnym K-VFinder, może chwytać obiekty o różnych kolorach i kształtach z przenośników taśmowych. Spełnia również wymagania przemysłu spożywczego, gdyż jego ramiona można myć różnymi środkami czyszczącymi, a stosowane smary spełniają standardy tej branży.

Motoman

Yaskawa Motoman należy do liderów światowej robotyzacji i ma na swym koncie ponad 270 tys. zainstalowanych robotów. Firma oferuje ponad 175 różnych modeli robotów o udźwigu od 2 kg do 800 kg. Jedynym robotem typu delta jest MPP3. Kompaktowy sterownik FS100 do tego robota jest zintegrowany z systemem wizyjnym 2D. Robot może realizować szybkie operacje do 150 cykli na minutę i – jak inne roboty tego typu – przeznaczony jest do operacji pick&place w zadaniach sortowania, pakowania, paletyzacji itp.

Heksapod robot

Platforma Stewarta zawiera sześć siłowników liniowych (najczęściej hydraulicznych), połączonych z podstawą i platformą za pomocą przegubów kulistych lub krzyżakowych. Płyta górna i zamocowane na niej urządzenia lub narzędzia mają sześć stopni swobody, tzn. mogą przesuwać się wzdłuż trzech osi oraz obracać wokół nich. Sześć siłowników zapewnia dużą sztywność układu, dzięki czemu uzyskuje się wysoką dokładność pozycjonowania. Równocześnie korzystne są tylko ściskające lub rozciągające obciążenia liniowych siłowników. Pierwsze rozwiązanie mechanizmu tego typu zastosowano w Wielkiej Brytanii już w 1954 r., zaś nazwa przyjęła się od nazwiska autora publikacji z 1965 r. [Stewart D., Platforms with Six Degrees of Freedom, Proc. Institution of Mechanical Engineers (UK) nr 15/1965].

Roboty przemysłowe typu Platforma Stewarta oferuje firma FANUC. Robot F-200iB, o dopuszczalnym obciążeniu 100 kg, ma powtarzalność położenia ±0,10 mm, a platforma może przemieszczać się z prędkością 1500 mm/s w płaszczyźnie X-Y i 300 mm/s wzdłuż osi Z. Masa robota wynosi 190 kg. Do sterowania platformą firma poleca sterownik R-Ji3B.

Platformy Stewarta są stosowane w symulatorach lotów, do pozycjonowania anten satelitarnych i teleskopów oraz w procesach technologicznych (w obróbce wiórowej, szlifowaniu, cięciu i spawaniu oraz montażu). Mechanizmy takie stosowane są również w budowie maszyn, np. pozycjonerów oraz bardzo dużych obrabiarek. Firma Newport oferuje całą gamę sześcioosiowych systemów pozycjonowania o równoległej kinematyce z udźwigiem do 450 kg.

Podsumowanie

Mechanizmy o przestrzennych łańcuchach kinematycznych są stosowane w symulatorach lotniczych i samochodowych, natomiast w robotach przemysłowych – do realizacji operacji pick&place. Specjalne wykonania stosowane są także w biologii i medycynie, przy mikrooperacjach. Najważniejsze zalety robotów równoległych to duża szybkość działania i mniejsze zużycie energii (co najmniej o połowę w porównaniu z tradycyjnymi robotami o podobnych udźwigach).

Prace rozwojowe nad budową robotów równoległych są prowadzone przez wiele ośrodków badawczych oraz producentów robotów przemysłowych na całym świecie. Firma Panasonic prezentowała w 2010 r. robot typu delta, który jednak nie znalazł się w ofercie, mimo korzystnych parametrów technicznych.

Więcej informacji, w tym tabelaryczne zestawienia parametrów robotów, w numerze 11/2013 miesięcznika naukowo-technicznego Pomiary Automatyka Robotyka. Zapraszamy do lektury.

dr inż. Jan Barczyk, PAR