رباتیک پیشرفته برای کاربردهای صنعتی و مصرفی نیازمند اجزای پیشرفته و با قدرت بالا برای اتصالاتی است که باید به طور نرم و با گشتاور بالا و سرعت نسبتاً کم عمل کنند. زمانی که برنامه رباتیک نیز باید حرکات دقیق انجام دهد چالش بیشتر میشود. در اکثر گزینههای پیشرو در عملگر رباتیک، موتورهای الکتریکی به کار میروند. این به خاطر آن است که طراحیهای مبتنی بر موتور باعث کاهش حرکت بازگشتی، اصطکاک، وزن و لختی میشوند در حالی که بازدهی، کاهش سرعت و چگالی قدرت را بیشینه میکنند. ترتیب سینماتیکی و مقیاس ربات تعیین میکند که کدام نوع موتور و اجزای مکانیکی مانند دنده مناسب ترند.
در اینجا، ما از مطالعه عملگر برای پایان دهندهها و گرفتن اشیاء رباتیک ، که به تنهایی یک موضوع پیچیده است ، صرفنظر کرده و بر روی بهترین گزینههای آکتواسیون مبتنی بر موتور الکتریکی، برای رباتیک قابل دسترس در حال حاضر ، تمرکز میکنیم.
جمعیت ماده و سفتی اکتواتور (عملگر) : به طور کلی بر کنترل و عملکرد ربات تأثیر میگذارد. تمام اکتواتورهای روی رباتها باید پهنای باند بالا را ارائه دهند – تا به رباتها امکان حرکت به موقعیت هدف را حتی با بارهای متغیر بر روی اتصالاتشان بدهند. به جز رباتهای انعطافپذیر مانند کوبوتها، تناوب مکانیکی خروجی (برای مقاومت در برابر حرکت در پیشروی نیروی خارجی) باید بالا باشد. هدفهای طراحی که اغلب با هم رقابت دارند، در کاهش لغزش و حداکثر سازی کارایی دارند.
اجزای حرکت در AGV و رباتهای متحرک خودکار (AMR)
معمولاً AGV (وسایل حمل و نقل هوشمند) و رباتهای متحرک خودکار (AMR) برای عملکرد باتری با قابلیت حرکت آزاد، از سیستمهای مبتنی بر موتورهای DC استفاده میکنند. زیرا سینماتیک آنها به طور کلی سنتی است و عملگرها در محورهای آنها (بر خلاف سیستمهای نرمافزاری و حسگری پیشرفته و معمولاً اختصاصی آنها) به طور معمول مشابه برنامههای صنعتی دیگر استفاده میشوند.
روباتهای هدایت خودکار در پارکینگهای اتوماتیک PARKPLUS باید صاف و قدرتمند باشند تا بتوانند خودروها را از زیر جابجا کنند. روباتهای هدایت خودکار از مجموعه گیربکسهای شرکت GAM Enterprises استفاده میکنند. این گیربکس ، یک گیربکس EPL با قطر ۶۴ میلیمتر است که دارای دندههای ساده با تیغههای سخت و سطح سنجی شده است و دارای یک محفظه و شافت خروجی برای مقابله با شوک و بارگذاری مرتبط با تغییر جهت حرکت است.
اما نیازهای ویژهای وجود دارد: عملگرهای رباتیکی که بارهای سنگین را بالا میبرند، مصرف برق بیشتری نسبت به عملگرهایی که بارها را به صورت افقی حرکت میدهند، دارند. بنابراین، همانند رباتهای دیگر (مانند رباتهای کارتزی)، عملگرهای بالابر عمودی در AGV و AMR معمولاً با گشتاور بالا و سرعت کم ، از طریق یک دنده با نسبت بالا عمل میکنند. اینجا، علی رغم کارایی کمتر نسبت به سایر انتخابهای دنده، ست های دنده مارپیچی (worm gearsets) جلوی حرکت معکوس را میگیرند، بنابراین میتواند در جلوگیری از سقوط بارها به سمت پایین در هنگام شکست سیستم موردی کمک کند. یک نکته دیگر این است که عملکرد AGV و AMR نیازمند حرکت کل جرم ربات است، بنابراین تقریباً همیشه در سیستم پیش رانش موتور الکتریکی ، دندهبندی وجود دارد. گیربکسها در ارائه دور موتور و حتی موقعیتدهی عالی عملکرد میکنند، به ویژه زمانی که AGV یا AMR از استیرینگ اسکید استفاده میکنند. محورهای چرخ Wittenstein iTAS سرو درایو – به طور خاص برای AGV – را در نظر بگیرید. دو موتور سرو شامل گیربکس پلانتاری با بازگشت کم و چرخهای VULKOLLAN هستند. در غیر اینصورت، موتورهای DC به عنوان محرک اسمبلی رک و پینیون رباتهای هدایت خودکار (AGV) و رباتهای حمل و نقل خودکار (AMR) استفاده می شود.
این محور چرخ AGV سروموتور، دارای دو موتور سرو با دندهبندی پلانتاری هلیکال از شرکت Wittenstein است. گیربکسهای بازگشت پایین دارای شیب بزرگ لحظه ای و چگالی توان است تا در AGV ها که ترولی ها را از زیر بلند و جابجا می کنند، کار کند.
لطفاً توجه داشته باشید که عملگرهای مبتنی بر موتورهای DC همچنین برای رباتهای ساده خودمختار ، برای وظایف کوچک نیز استفاده میشوند. به عنوان مثال، بیشتر رباتهای تمیزکنندهی کف Roomba از آرایهای شامل پنج موتور DC با دندههای اسپور ، بیشتر از پلاستیک استفاده میکنند تا سرعت را از حدود 3500 تا 10000 دور در دقیقه ، به سرعتی که برای تمیزکاری سطح کف مناسبتر است کاهش دهند. در رباتیک مصرفی مشابه یا رباتیک تجاری سبکوزن که برای کارایی بالاتر و جمع وجور بودن، هدف طراحی هستند، عملگرها ممکن است پیچش سیارهای را با موتورها ترکیب کنند.
اجزای حرکت در رباتیک همکارانه
بسیاری از رباتهای همکارانه (کوبوتها) مانند رباتهای یونیورسال (UR) از عملگرهای انعطافپذیر برای حرکات نرم و بخشنده که مناسب برای فضاهای غیرکنترلشده هستند، استفاده میکنند. وقتی عملگر به شکل یک عملگر الاستیک سری (SEA) باشد، انعطافپذیری یک فنر مکانیکی ساده (اگرچه به شدت مهندسی شده) در سری با بدنه عملگر الکتریکی است. در حالی که برای محورهای رباتیکی نیاز به دقت نانومتری ، بدون جبران حسگر ندارند، این عملگرهای رباتیکی میتوانند از صدمه به افراد نزدیک جلوگیری کنند.
در واقع، عملگرهای انعطافپذیر برای رباتیک، نیروی تکانه بار را به موتور پیشراننده کمتر بازتاب میدهند و حتی میتوانند جرم موتورها را در هنگام برخورد با عوامل محیطی یا افراد، از محورها جدا کنند. علاوه بر این، آنها از ضربه به جعبه دنده ها در سیستم پیشرانش جلوگیری میکنند و بهطور همزمان اثرات بازگشت در وظایف انتهایی را کاهش میدهند.
در اینجا یک ربات همکار یونیورسال روبوت (کوبوت) با نواحی ایمنی برجسته نشان داده شده است تا نشان دهد چگونه بازوها میتوانند برنامهریزی شوند تا در حضور کارکنان واکنش نشان دهند. اکتواتورهای انعطافپذیر که توسط موتورهایی با گیربکس strain-wave تغذیه میشوند، در محور بسیاری از این نوع کوبوتها استفاده میشوند.
بعضی از کوبوتهای بزرگتر، که قادر به قربانی کردن بار و عملکرد برای ایمنی نیستند، از سیستمهای مبتنی بر نرمافزار برای ایمنی در اطراف افراد استفاده میکنند. این سیستمها با استفاده از کنترلهای زمانواقعی برای تطبیق مجازی یا حقیقی ، قابلیت کنترل پهنای باند را حفظ میکنند. نرمافزار ، نیروهای محیطی را ردیابی کرده و خروجی مفصل ربات را کند و یا کاهش میدهد تا به طور نرم به نیروهای خارجی واکنش نشان دهد. علاوه بر اطمینان از ایمنی، در وظایف پردازش ماشین که در واقع میتواند ظرفیت تولید را افزایش دهد، کارایی دارد.
در برخی از این کوبوتها، مجموعههای گیربکس strain-wave برای مفاصل بازوی ربات استفاده میشوند. گشتاور بالا و عدم بازگشت به عقب، از مزایای کلیدی آنها هستند. این مجموعههای strain-wave باعث سبک و قابل حمل بودن بازوهای ربات همکار میشوند. مجموعههای گیربکس یک مرحلهای با نسبت 100:1 میتوانند با 120 نیوتن-متر ، شش محور ربات را برای بارهای تا 6 کیلوگرم حرکت دهند.
در واقع، از این به بعد احتمالاً عملگرهای صاف دیگری طراحی کوبوت را به خارج از سری استاندارد 90 درجه، گسترش خواهند داد تا تعداد نقاط فشرده را کاهش داده و محدوده حرکت مشترک بیشتری را فراهم کنند. به عنوان مثال، عملگرهای LiveDrive از Genesis Robotics عملگرهای نازک تری هستند که به زودی میتوانند برای چرخش مفاصل کوبوت به صورت عمودی استفاده شوند؛ کندهها بین موتورها میتوانند به عنوان شیبهای چرخشی عمل کنند تا ایمنی و همچنین مزیت مکانیکی در هر مفصل را اعمال کنند.
اکتواتور strain-wave شامل گیربکسهای strain-wave است که پیش از این با سروموتورها یکپارچه شدهاند. این اکتواتورها به طور معمول با درایوهای تأمینکننده یا شخص ثالث همکاری میکنند و در مفاصل رباتهای کوچک یا ماشینآلات ،عملکرد بهتری دارند.
اجزای حرکت در رباتیک دلتا
از رباتهای دلتا (رباتهای عنکبوتی) برای انجام حرکات سریع ( هزاران حرکت کوچک در دقیقه) در برخی موارد استفاده میکنند ،که برای برنامههای برداشت و قرار دادن که اغلب استفاده میشوند، لازم است.
مزیت اصلی رباتهای دلتا، ترتیبات پیوند کینماتیکی پویا است که توسط موتورهای ثابت ، بالای آنها تحریک میشود. همانند رباتیک دیگر، موتورهای DC بدون تسمه به عنوان استاندارد برای قابلیت کنترل، پراکنش حرارت، فشردگی و روتورهای با جرم نسبتاً کم استفاده میشوند. در غیر این صورت، از موتورهایی با مدار بسته (موتورهای با قطب بالا همراه با گیربکس) یا حتی نسخههای بی گیربکس استفاده میشود. به عنوان مثال، از سلولهای رباتیکی PocketDelta به ابعاد کوچک و سه موتور EC-i 40 بدون تسمه از شرکت maxon precision motors برای تحریک پیوندگان استفاده میکنند.
این ربات دلتایی با ۳+۱ درجه آزادی (گزینهای برای درجه آزادی چرخشی) از Omron Automation Americas با سرعت ۲۰۰ چرخه در دقیقه حرکت میکند و با نقالههای نزدیک هماهنگی ایجاد میکند تا وظایف برداشت و قرارگیری را انجام دهد. یک کنترلکننده تنها میتواند موتورهای سرو را تا هشت محور کنترل کند . زمان پاسخگویی آن ۲ میلیثانیه است.
در رباتهای دلتای بزرگتر، بسیاری از تولیدکنندگان از درایوهای رک و پینیون به عنوان عملگرها ، بر اساس مجموعههای گیربکس سیارهای ، استفاده کردهاند. برخی از این گیربکس ها به صورت پیشتنظیم، دستههای عملگر را برای کاهش تعداد قطعات و بهبود قابلیت تمیزکاری به صورت پیشتر تنظیم میکنند.
اجزای حرکت در رباتیک کمکی
رباتیک کمکی مانند اعضای قدرتی، پروتزهای قابل برنامهریزی، اگزواسکلتونها و رباتیک نرم به افرادی که اعضای بدن خود را از دست دادهاند مانند سربازان در جنگ و کارکنان محیطهای صنعتی که در معرض خطر کشیدگی و خستگی قرار دارند، کمک میکند. دو بازار رشد برای رباتیک کمکی دائمی شامل موارد زیر است:
- بازوهای رباتیک در حوزه مراقبت بهداشتی برای جایگزینی اعضای بیمار
- لیفتراکهای قدرتی رباتیک در محیطهای صنعتی که به اپراتورها اجازه میدهند تا کنترلهای نزدیک به انتهای ابزار را بگیرند تا با فشار دادن آنها، اقلام سنگین را در برابر گرانش صفر جا به جا کنند.
- بیشتر این طرحها شکلشناسی و فناوری عملگر مشترکی با رباتهای شش محوری دارند.
در غیر این صورت، از سیستمهای اورتوتیک (برای بازسازی اعضای بیماران) و رباتیک کمکی قابل استفاده در عملگرهای انعطافپذیری مانند SEAs ، استفاده میکنند. این عملگرها به سیستمها اجازه میدهند از دینامیک حرکت طبیعی بهره برده و به بهرهوری طراحی کمک کنند. عملگر های سنتی که به عضوها ی تراژکتوریهای تعیین شده نیرو میدهند، مناسب نیستند. به همین دلیل طرحهای مبتنی بر موتور DC کنترلها و بازخورد ویژه اندازهگیری سیستمها را امکانپذیر میسازند تا کاربر بتواند در فضاهای نامشخص بدون کنترل موقعیت ثابت حرکت کند.
افزونهها و پروتزهای قدرتمند موتوری به منظور ارائه گزینههای جدیدی برای حرکت کامل، به صورتی که هزینههای کمتری داشته باشند، رو به افزایش هستند.
اجزای حرکتی در رباتهای SCARA
SCARA ، رباتهای انتخابی تطابقی دستگاه های مونتاژی (Selective Compliance Assembly Robot Arm) و ربات های قطبی، مانند ربات های کارتزین هستند. چرا که از اجزای حرکت و انتقال قدرتی استفاده می کنند که در برنامه های حرکت غیر رباتیک نیز استفاده می شود.
اجزای حرکتی در رباتهای کارتزین
رباتهای کارتزین شامل اجزای حرکتی خطی مانند اسلایدها و راهنماهای خطی با اکتواتورهای محرک leadscrew یا ballscrew و همچنین rollerscrews برای محورهای حیاتی هستند. یک نکته جانبی در اینجا: فناوری حرکت خطی مورد استفاده در رباتهای کارتزین ، در سایر ساختارهای کینماتیک رباتها نیز استفاده میشود. به عنوان مثال ، واحدهای انتقال ربات با هفت محور (RTU)، حالتهای جدیدی از اکتواسیون حرکت خطی را ایجاد میکنند که دارای حرکتهای بلند با دقت استثنایی هستند. یا درباره بازوهای رباتیک شش و هفت محور، فناوری اکتواتور خطی میتواند ارتباطات موازی با استفاده از موتورهای ثابت شده در پایه را برای گسترش و جمع شدن از زیر یا بالا راهاندازی کند. این باعث بهبود دینامیک با خمیدگی مشترک کمتر و (در صورت وجود درجات آزادی چندگانه) کنترل مستقل مفصل میشود.
سیستمهای محور هفتم (که به عنوان واحدهای انتقال ربات یا RTU ها شناخته میشوند) برای رباتیک، اغلب از اکتواسیونی استفاده میکنند که بر اساس موتورهای AC کنترل ولتاژ متغیر (VFD) یا سروموتورها عمل میکند. در مسیر ربات TMF از یک ست رک و پینیون استفاده میشود تا رباتهای صنعتی را به طور دقیق حتی تحت بارگذاری دینامیک جابجا کند.
اجزای حرکتی در رباتهای شش محوری
بازوهای آزاد شناخته شده به عنوان رباتهای شش محوری در حال رهبری نوآوری هستند. اکتواسیون از طریق موتورهای گیربکسی در هر مفصل، برای چرخش محور انجام میشود ،که در بسیاری از طرحهای تجاری موجود، از طریق درایوهای تایمینگ-بلت استفاده میشود. سپس بازخورد و کنترلها مکان را پیگیری میکنند تا مفصل مربوطه را به موقعیت هدف خود برسانند.
پایههای رباتهای شش محوری (که نیاز به گشتاور بالا دارند) اغلب از موتورهای دندهای پلانتاری یا سیکلوئیدال استفاده میکنند. در بازوهای صنعتی بزرگتر، این موتورها موتورهای AC هستند. در مقابل، محورهای مچ دست شش محوری، از گیربکسهایی با مبنای دندهبندی از دندههای مسطح (که کارآیی با هزینه پایین اولویت آنهاست) تا گیربکسهای مبتنی بر دندهبندی strain-wave (که دقت در اولویت اصلی آنهاست) استفاده میکنند. برای گیربکسهای strain-wave، برخی از گیربکسهای strain-wave به رباتها اجازه میدهند تا حرکات سریعی را بدون نمایش شوک یا لرزش سرعت در خروجی انجام دهند، زیرا خاصیت بیبازگشتی اکتواتورهای مبتنی بر این نوع گیربکس امکان تنظیمات سرو-گین بالاتری را برای افزایش دقت و عملکرد دینامیکی فراهم میکند.
به سری رباتهای KR AGILUS شرکت Kuka برای جابجایی سریع مواد توجه کنید. در این رباتها، گیربکسهای دقیق strain-wave دارای ظرفیت گشتاور 30٪ بیشتر و عمر 40٪ بیشتری نسبت به نسخههای قبلی دارند. این امر به دلیل استفاده از یک تولیدکننده موج و بهینهسازی دندههای دورانی و دندههای flexspline است.
در روباتهای شش محوره HIWIN ، از گیربکس strain-wave و درایوهای نوارهای همگام دقت برای اکتواسیون استفاده میکنند.
یکی از روندها این است که رباتهای شش محوری بیشتر از همیشه از اکتواتورهای مبتنی بر موتورهای بدون قاب استفاده میکنند. اکتواتورهای رباتیک بر اساس موتورهای استپر نیز در حال گسترش هستند، زیرا امکان حذف گیربکس و ظهور کنترل استپر بسته میتواند اکتواسیون رباتیک کوچک و پویا را حرکت دهد. در جایی که رباتهای شش محوری بزرگ شدهاند، (مانند ربات بزرگ ABB IRB 8700 که قادر به جابجایی بارهایی با وزن ۱۰۰۰ کیلوگرم است ) روند دیگری به سمت تجمیع ترتیبات دوگانه موتور-گیربکس ، در هر محور به یک محرک موتور گیربکس ، برای هر درجه آزادی است.