Wat zijn de belangrijkste factoren voor het classificeren van industriële robots?

Miljoenen industriële robots zijn actief in Industry 4.0-fabrieken over de hele wereld. Ze worden gebruikt om de productiesnelheid te verhogen, de kwaliteit te verbeteren, de kosten te verlagen en flexibelere en duurzamere activiteiten te ondersteunen. Vanwege het belang van industriële robots heeft de International Organization for Standardization (ISO) de norm 8373:2021, Robotics Vocabulary, ontwikkeld om termen te definiëren die in de robotica worden gebruikt en een gemeenschappelijke taal te bieden voor het bespreken van de vele soorten robots en hun toepassingen.

De International Federation of Robots (IFR) gebruikte de belangrijkste termen gedefinieerd in ISO 8373:2021 om zes robotclassificaties te identificeren op basis van hun mechanische structuur, waaronder:

• Gelede
• Cartesiaans
• Cilindrisch
• Parallel/delta
• Polair
• SCARA

Dit artikel geeft een overzicht van ISO 8373:2021, waarbij wordt gekeken naar de vier belangrijkste termen die een robot definiëren, met de nadruk op de noodzaak van herprogrammeerbaarheid en de soorten en aantallen robotgewrichten die door de IFR worden gebruikt om robotclassificaties te ontwikkelen. Vervolgens wordt ingegaan op de details en nuances van elke robotclassificatie en worden voorbeeldrobots van verschillende fabrikanten gepresenteerd. Onderweg wordt ook gekeken naar systemen die robots worden genoemd en die niet aan alle ISO-vereisten voldoen.

ISO 8373:2021 definieert een industriële robot als een "automatisch bestuurde, herprogrammeerbare, multifunctionele manipulator, programmeerbaar in drie of meer assen, die op zijn plaats of op een mobiel platform kan worden bevestigd voor gebruik in automatiseringstoepassingen in een industriële omgeving".

Herprogrammeerbaarheid is een cruciale onderscheidende factor. Sommige industriële machines hebben manipulatoren en bewegen in meerdere assen om specifieke taken uit te voeren, zoals het oppakken van flessen op een afvullijn voor dranken en ze in een doos plaatsen. Maar het is geen robot als hij speciaal voor dat ene doel is gemaakt en niet herprogrammeerbaar is. "Herprogrammeerbaar" wordt in ISO 8373 gedefinieerd als "zo ontworpen dat de geprogrammeerde bewegingen of hulpfuncties kunnen worden gewijzigd zonder fysieke wijzigingen".

Typen en aantallen robotgewrichten

ISO 8373 definieert twee soorten robotgewrichten:

• Prismatische verbinding, of schuifverbinding, is een verbinding tussen twee schakels die ervoor zorgt dat de ene een lineaire beweging heeft ten opzichte van de andere.
• Een roterende verbinding is een assemblage die twee schakels verbindt zodat de ene kan roteren ten opzichte van de andere om een vaste as.

Het IFR heeft deze en andere ISO 8373 definities gebruikt om zes industriële robotclassificaties te identificeren op basis van hun mechanische structuur of topologie. Bovendien hebben verschillende robottopologieën verschillende aantallen assen en dus ook verschillende aantallen gewrichten.

Het aantal assen is een belangrijk kenmerk van industriële robots. Het aantal assen en hun typen bepaalt het bewegingsbereik van de robot. Elke as vertegenwoordigt een onafhankelijke beweging of vrijheidsgraad. Meer vrijheidsgraden zorgen ervoor dat een robot zich door grotere en complexere ruimtes kan bewegen. Sommige robottypes hebben een vast aantal vrijheidsgraden, terwijl andere verschillende aantallen vrijheidsgraden kunnen hebben.

Eindeffectoren, ook wel EOAT (end-of-arm tooling) of "multifunctionele manipulatoren" genoemd in ISO 8373, zijn een ander belangrijk element in de meeste robots. Er is een breed scala aan eindeffectors, waaronder grijpers, speciale procesgereedschappen zoals schroevendraaiers, verfspuiten of lassers, en sensors, waaronder camera's. Ze kunnen pneumatisch, elektrisch of hydraulisch zijn. Sommige eindeffectors kunnen roteren, wat de robot een extra vrijheidsgraad geeft.

De volgende paragrafen beginnen met de IFR-definitie voor elke robottopologie en onderzoeken vervolgens hun mogelijkheden en toepassingen.

Gelede robots hebben drie of meer roterende gewrichten.

Dit is een grote klasse robots. Gelede robots kunnen tien of meer assen hebben, waarbij zes de meest voorkomende is. Robots met zes assen kunnen bewegen in x-, y- en z-vlakken en pitch-, yaw- en rolrotaties uitvoeren, waardoor ze de bewegingen van een menselijke arm kunnen nabootsen.

Ze zijn ook verkrijgbaar met een breed scala aan laadvermogens van minder dan 1 kg tot meer dan 200 kg. De reikwijdte van deze robots varieert ook sterk, van minder dan 1 meter tot meerdere meters. De KR 10 R1100-2 van KUKA is bijvoorbeeld een zesassige gelede robot met een maximaal bereik van 1.101 mm, een maximaal laadvermogen van 10,9 kg en een herhaalbaarheid van de pose van ±0,02 mm (Afbeelding 1). Het apparaat beschikt ook over snelle bewegingen, korte cyclustijden en een geïntegreerd energievoorzieningssysteem.

Afbeelding 1: Gearticuleerde robot met zes assen en een poseherhaalbaarheid van ±0,02 mm. (Bron afbeelding: DigiKey)

Gelede robots kunnen permanent op de vloer, aan de muur of aan het plafond worden gemonteerd. Ze kunnen ook gemonteerd worden op rupsbanden op de vloer of boven het hoofd, bovenop een autonome mobiele robot of een ander verplaatsbaar platform, en verplaatst worden tussen werkstations.

Ze worden gebruikt voor verschillende taken, zoals materiaalbehandeling, lassen, verven en inspectie. Gelede robots zijn de meest voorkomende topologie voor het implementeren van collaboratieve robots (cobots) die ontworpen zijn om samen te werken met mensen. Terwijl een conventionele robot in een veiligheidskooi met veiligheidsbarrières werkt, is een cobot ontworpen voor nauwe interactie met mensen. De LXMRL12S0000-cobot van Schneider Electric heeft bijvoorbeeld een maximaal bereik van 1.327 mm, een maximaal laadvermogen van 12 kg en een poseerherhaalbaarheid van ±0,03 mm. Cobots hebben vaak botsbeveiliging, afgeronde hoeken, krachtbegrenzing en een lichter gewicht voor meer veiligheid.

Een cartesiaanse robot (ook wel rechthoekige robot, lineaire robot of portaalrobot genoemd) heeft een manipulator met drie prismatische gewrichten waarvan de assen een cartesisch coördinatenstelsel vormen.

Gemodificeerde cartesiaanse robots zijn verkrijgbaar met twee prismatische gewrichten. Ze voldoen echter niet aan de ISO 8373 vereiste dat ze "programmeerbaar moeten zijn in drie of meer assen" en zijn dus technisch gezien geen robots.

Er is meer dan één manier om drie prismatische gewrichten te configureren en dus ook meer dan één manier om een cartesiaanse robot te configureren. In een cartesiaanse topologie staan alle drie de gewrichten in een rechte hoek, waarbij er één beweegt in de x-as, vastzit aan een tweede die beweegt in de y-as, die vastzit aan een derde die beweegt in de z-as.

Hoewel dit vaak wordt gebruikt als synoniem voor een cartesiaanse robot, is de topologie van het portaal niet identiek. Net als een cartesiaanse robot ondersteunen portaalrobots lineaire bewegingen in de driedimensionale ruimte. Maar portaalrobots zijn geconfigureerd met twee basisrails voor de x-as, een ondersteunde rail voor de y-as die de twee x-assen overspant en een vrijdragende z-as die aan de y-as is bevestigd. De DLE-RG-0012-AC-800-800-500 van Igus is bijvoorbeeld een portaalrobot met een werkgebied van 800 mm x 800 mm x 500 mm die tot 5 kg kan dragen en tot 1,0 m/s kan bewegen met een herhaalbaarheid van ±0,5 mm (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Portaalrobot met een werkruimte van 800 mm x 800 mm x 500 mm. (Bron afbeelding: Igus)

Cilindrische robot heeft een manipulator met minstens één roterend gewricht en minstens één prismatisch gewricht, waarvan de assen een cilindrisch coördinatensysteem vormen.

Cilindrische robots zijn relatief eenvoudig en compact, en door hun beperkte bewegingsbereik zijn ze gemakkelijk te programmeren. Ze komen minder vaak voor dan hun complexere neven. Toch zijn ze vooral geschikt voor toepassingen zoals slijpprocessen, palletiseren, lassen (vooral puntlassen) en materiaalhantering, bijvoorbeeld het in- en uitladen van halfgeleiderwafers in cassettes bij de fabricage van geïntegreerde schakelingen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Deze cilindrische robot heeft een roterend en prismatisch gewricht. (Bron afbeelding: Association for Advancing Automation)

Cilindrische robots bewegen meestal met snelheden van 1 tot 10 m/s en kunnen ontworpen worden om zware lasten te dragen. Toepassingen voor cilindrische robots zijn te vinden in de automobiel-, farmaceutische, voedingsmiddelen- en dranken-, ruimtevaart-, elektronica- en andere industrieën.

Een parallel-/deltasrobot is een manipulator waarvan de armen links hebben die een gesloten lusstructuur vormen.

Terwijl andere robots, zoals cilindrische of cartesiaanse topologieën, genoemd zijn naar hun beweging, is de deltarobot genoemd naar zijn omgekeerde driehoekige vorm. Deltarobots hebben 2 tot 6 assen, waarbij 2- en 3-assige ontwerpen het meest voorkomen. Net als 2-assige cartesiaanse robots voldoen 2-assige deltarobots technisch gezien niet aan de vereisten van ISO 8373 om robots genoemd te worden.

Deltarobots zijn ontworpen voor snelheid in plaats van kracht. Ze worden boven het werkgebied gemonteerd en voeren functies uit zoals verzamelen en plaatsen, sorteren, demonteren en verpakken. Ze zijn vaak te vinden boven een transportband, die onderdelen door een productielijn beweegt. De grijper is verbonden met lange, slanke mechanische verbindingen. Deze verbindingen leiden naar drie of vier grote motoren aan de basis van de robot. Het andere uiteinde van de hefinrichting is bevestigd aan een gereedschapsplaat waar de EOAT aan vastzit.

De RBTX-IGUS-0047 van Igus is een voorbeeld van een 3-assige delta robot. Het heeft een werkruimte met een diameter van 660 mm en kan een maximale belasting van 5 kg aan. Bij het hanteren van een last van 0,5 kg kan het 30 picks per minuut uitvoeren met een maximumsnelheid van 0,7 m/s en een versnelling van 2 m/s². Het heeft een herhaalbaarheid van ±0,5 mm (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Drie-assige deltarobot en controller (links). (Bron afbeelding: DigiKey)

Een polaire robot (sferische robot) is een manipulator met twee roterende gewrichten en een prismatisch gewricht, waarvan de assen een poolcoördinatensysteem vormen.

Een van de roterende gewrichten stelt een poolrobot in staat om rond de verticale as te draaien die vanuit de basis omhoog steekt. Het tweede roterende gewricht staat loodrecht op het eerste roterende gewricht en zorgt ervoor dat de robotarm op en neer kan bewegen. Tot slot zorgt het prismatische gewricht ervoor dat de robotarm kan uitschuiven of intrekken vanaf de verticale as.

Polaire robots zijn eenvoudig van constructie, maar hebben nadelen die het gebruik ervan beperken in vergelijking met andere topologieën zoals gelede, cartesiaanse en SCARA-robots:

• Het sferische coördinatenstelsel maakt het programmeren complexer.
• Ze hebben meestal een beperktere laadcapaciteit dan andere soorten robots.
• Ze zijn langzamer dan andere robots.

De belangrijkste voordelen van polaire robots zijn een grote werkruimte en hoge precisie. Ze worden gebruikt voor het bedienen van bewerkingsmachines, assemblagewerkzaamheden, materiaalhantering in assemblagelijnen voor auto's en gas- en booglassen.

Een SCARA-robot (van "selectively compliant arm for robotic assemblies") is een manipulator met twee parallelle roterende gewrichten die in een geselecteerd vlak meegaan.

Een SCARA-basisrobot heeft drie vrijheidsgraden, de derde van een roterende eindeffector. SCARA-robots zijn ook verkrijgbaar met een extra roterend gewricht voor een totaal van vier vrijheidsgraden, waardoor complexere bewegingen mogelijk zijn.

SCARA-robots worden vaak gebruikt in pick-and-place- of assemblagetoepassingen waar een hoge snelheid en nauwkeurigheid nodig zijn. De M1-PRO van Dobot is bijvoorbeeld een 4-assige SCARA-robot met een werkradius van 400 mm, een maximaal laadvermogen van 1,5 kg en een herhaalbaarheid van ±0,02 mm. Het apparaat heeft sensorloze botsingsdetectie en drag-to-teach-programmering, waardoor het apparaat geschikt is voor gebruik als cobot en als zelfstandige robot (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Vierassige SCARA-robot met een herhaalbaarheid van ±0,02 mm. (Bron afbeelding: DigiKey)

Conclusie

Alle industriële robots voldoen aan de ISO 8373-vereiste om automatisch bestuurd te worden met een herprogrammeerbare, multifunctionele manipulator. Niet elk ontwerp heeft echter een gedefinieerd aantal assen voor een bepaalde topologie. Deltarobots en cartesiaanse robots zijn verkrijgbaar met minder dan het gedefinieerde aantal assen, terwijl sommige SCARA-robots meer assen hebben dan door IFR gedefinieerd.