بازوی رباتیک از پیوندهایی تشکیل میشود که بهوسیله مفاصل به یکدیگر متصل و یک زنجیره سینماتیکی را شکل میدهند. ابزار انتهایی ـ که عملکردی مشابه دستِ انسان دارد ـ انتهای عملکردی زنجیره سینماتیک بازو را تشکیل میدهد.
یک گریپر یا یک ابزار نهایی با قابلیت جوشکاری، رنگآمیزی، مونتاژ و غیره میتواند به عنوان عامل نهایی مورد استفاده قرار گیرد. برای خرید ربات صنعتی ، ربات پالتایزر و ربات جوشکار کافیست با کارشناسان سپاهان ربات تماس حاصل فرمایید.
هدف طراحی بازوی رباتیک، پشتیبانی از فرآیندهای تولید و جایگزینی برخی عملیات انسانیِ تکراری یا خطرناک است؛ بدین ترتیب بهرهوری صنعت افزایش مییابد. رباتها معمولاً برای انجام فعالیتهای ناخوشایند، پرخطر، بسیار تکراری و مضر استفاده میشوند.
جابجایی مواد، مونتاژ، جوشکاریِ قوسِ الکتریکی، جوشکاریِ مقاومتی، بارگیری و تخلیه ماشینآلات، رنگآمیزی و فرایندهای اسپری، از جمله فعالیتهایی هستند که توسط رباتها انجام میشوند. این عملکرد سودمند است زیرا عملیات را با دقت، تکرارپذیری و کارآیی بالاتری نسبت به عملکرد انسانی انجام میدهد.
برای مثال، یک بازوی رباتیک اغلب در خطوط مونتاژ یا بستهبندی برای بلند کردن مکرر چیزهای کوچک استفاده میشود، این وظایف برای انسان در بلندمدت طاقتفرسا و ناکارآمد است. بازوی رباتیک میتواند عملیات بلند کردن مواد سبک را به طور موثر و سریع انجام دهد، زیرا خستگی یا خطرات سلامتی انسان مانع آن نمیشود.
بازوی رباتیک
تعریف بازوی رباتیک
بازوی رباتیک دستگاهی متشکل از پیوندها و مفاصل است که با درجات آزادی مشخص قابلیت حرکت در فضا را برای انجام وظایف معین فراهم میآورد. اغلب، این بازوی رباتیک ممکن است برای انجام وظایف خاص آموزش داده شود. به دلیل شباهت عملکرد آن به دست انسان، به آن انساننما نیز گفته میشود.
طراحیِ بهینهٔ بازوی رباتیک میتواند زمان چرخه تولید و هزینهها را کاهش دهد؛ طراحی مناسب تکرارپذیری را افزایش و خطاهای انسانی را کاهش میدهد که منجر به بهبود کارایی و سرعت میشود. خطر آسیب نیز در صورت عدم دخالت انسان به طور قابل توجهی کمتر است و کار با مواد خطرناک را سادهتر میکند.
شش نوع اصلی از طراحیهای بازوی رباتیک
ربات دکارتی/ربات دروازهای
این ساختار معمولاً شامل سه درجه آزادیِ انتقالی است که حرکت در امتداد محورهای کارتزینی را فراهم میکند. این نوع ربات میتواند برای کارهای مختلفی از جمله کار برداشتن و گذاشتن، کار با تجهیزات ماشینی، جوشکاری قوس الکتریکی، اعمال درزگیر و کارهای مونتاژ استفاده شود.
ربات استوانهای
محورها و پیوندها در این ربات بر مبنای مختصات استوانهای پیکربندی میشوند و حرکت با ترکیب چرخش و انتقال محوری تحقق مییابد. برخی از کاربردهای معمول آن شامل جوشکاری نقطهای، مدیریت ابزارهای ماشینی، مونتاژ محصول و جابجایی ماشینهای ریختهگری یا سایر ماشینها است.
ربات کروی/ربات قطبی
این نوع ربات با محورهای خود سیستم مختصات قطبی را تشکیل میدهد و معمولاً در عملیات جوشکاری با گاز، قوس الکتریکی و نقطهای، مکانیزمهای ریختهگری تحت فشار و ماشینهای ابزار جابجایی به کار میرود.
ربات اسکارا
SCARA مخفف «Selective Compliance Assembly Robot Arm» است و به بازوی رباتیکی اشاره دارد که در راستای مشخصی انعطافپذیری و در راستاهای دیگر صلبیت دارد؛ این ویژگی آن را برای فرآیندهای مونتاژ مناسب میسازد. این بازو به ویژه برای فرآیندهای مونتاژ رباتیک کوچک مفید است. همانطور که از نامش پیداست، دارای دو مفصل چرخشی موازی است که در یک مکان انطباق را ارائه میدهند، در حالی که در دو مکان دیگر سفت هستند. این بازو استفاده از ابزارهای ماشینی، استفاده از درزگیر، فرآیندهای مونتاژ و فعالیتهای برداشتن و گذاشتن را مدیریت میکند.
ربات مفصلی
این ربات معمولاً سه یا تعداد بیشتری مفصل چرخشی در بازوی خود دارد. میتوان از آن برای رنگآمیزی، ریختهگری، جوشکاری گاز و قوس الکتریکی، رنگآمیزی اسپری، تجهیزات فتلینگ و فرآیندهای مونتاژ استفاده کرد.
ربات موازی
رباتی که دارای مفاصل چرخشی یا منشوری موازی است.
اجزای مختلف بازوی رباتیک
پایه
یکی از مهمترین اجزای بازوی رباتیک، پایه آن است. از آنجا که به عنوان پایه بازوی رباتیک عمل میکند، تحت تأثیر وزن سایر اجزا و همچنین بار مفید قرار میگیرد. پایه بازوی رباتیک مجهز به یک سروو موتور است که با شفت چرخان کار میکند.
ساعد
ساعد، محدوده کاری بازو را تعیین میکند و معمولاً بیشترین طولِ بازو را تشکیل میدهد؛ در نتیجه تأثیر قابلتوجهی بر فضای کاری دارد. مفصل تشکیل شده در اینجا بر اساس آرنج در بازوی انسان است و به طور مشابه، عملکرد اصلی آن انتقال نیروی بار و کنترلِ دامنه حرکتی است که بازو بلند میکند.
شفت میان مفصل آرنج و ساعد نقش انتقال گشتاور را ایفا میکند و نیروی محرک را از موتور به پیوندها منتقل میسازد. در برخی طراحیها، دامنه حرکت مفصل آرنج معمولاً بین ۱۳۰ تا ۱۶۰ درجه تعریف میشود؛ این مقادیر بسته به طراحی و نیاز کاربردی قابل تغییرند.
شانه
شانه به شفت چرخان متصل میشود و به بازوی رباتیک حرکت چرخشی میدهد. این قطعه دارای یک شفت و یک کلید ترکیبی است که به پایین متصل است. این بخشی است که حرکت چرخشی را از منبع تغذیه به بدنه بالایی بازوی ربات منتقل میکند.
عضله دوسر بازو
در برخی طراحیها، عنصری مشابه عضلهٔ دوسر بهمنظور تأمین نیروی کششی و پایداری بین مفصل شانه و آرنج پیشبینی میشود، اما به ساعد و مچ دست قدرت و پایداری میدهد. انتهای بالایی آن دارای یک شفت است که به آن اجازه میدهد حول محور مفصل شانه-آرنج بچرخد.
در برخی طراحیها، بخشِ انتهایی پیوند بالایی دارای شیارها یا حفرههایی است که مفصلِ سوم (مچ) در آنها جایگیری میکند. شفت در رأس آرنج به منبع تغذیه متصل است. انتهای این قسمت از بازو جایی است که میچرخد.
مچ دست
مچ، پیوندِ انتهایی را به ساعد متصل میسازد و نقش تعیینکنندهای در تعیین جهتگیری و دقت عامل انتهایی دارد. در برخی طراحیها، مچ قابلیت چرخش تا ۳۶۰ درجه را دارد؛ اما دامنه واقعی چرخش بسته به طراحی مکانیکی و محدودیتهای سازهای متغیر است. با این حال، چرخش مچ میتواند محدود باشد زیرا پایه ربات خود میچرخد. درجه چرخش را میتوان بسته به نیاز کاربر تغییر داد.
عامل انتهایی (End effector)
عامل انتهایی ابزاری است که به انتهای بازو متصل میشود و وظایف تعامل با محیط (نظیر گریپ، جوش، اسپری و غیره) را انجام میدهد. طراحی یک ابزار انتهایی و همچنین سختافزار و نرمافزاری که آن را به کار میاندازد، به وظیفه یا کاربرد ربات بستگی دارد.
سِرووموتور (Servo Motor)
موقعیت زاویهای یا خطی، سرعت و شتاب را میتوان با یک سروو موتور، یک محرک چرخشی یا خطی به طور دقیق کنترل کرد. معمولاً شامل یک موتور بههمراه حسگر موقعیت (Encoder) و مدار کنترل حلقه بسته است. این سامانه به یک کنترلکننده با ساختار حلقهبسته نیاز دارد، که معمولاً بهصورت یک درایور اختصاصی برای سرووموتورها طراحی میشود.
منظور از طراحی بازوی رباتیک چیست؟
تعریف طراحی بازوی رباتیک
طراحی مکانیکی یک بازوی رباتیک، که از ساختار عملکردی دست انسان الهام گرفته است، شامل چندین پیوند (Link) است که با هم یک زنجیره سینماتیکی را تشکیل میدهند. مفاصلی که پیوندها را به هم متصل میکنند، قابلیتهای حرکت چرخشی و انتقالی سیستم را فراهم میکنند. یک عامل انتهایی نیز معمولاً به انتهای مفصل مچ دست، جایی که از نظر عملکردی معادل ناحیه مچ دست انسان در نظر گرفته میشود.
درجات آزادی
در طراحی بازوی رباتیک، درجات آزادی (Degrees of Freedom – DoF) یک ربات با کم کردن تعداد قیدهای حرکتی آن از تعداد کل آزادیهای جسم صلب محاسبه میشود. مفاصل معمولاً دلیل این محدودیتهای حرکتی هستند.
نمونههایی از مفاصل با یک درجه آزادی شامل مفاصل لولایی و منشوری هستند. مفاصلی که بیش از یک درجه آزادی دارند شامل مفاصل کروی هستند که سه درجه آزادی چرخشی دارند و مفاصل یونیورسال که دو درجه نسبی فضا دارند.
یک بازوی رباتیک را میتوان با درجه آزادی آن توصیف کرد. افزایش تعداد درجات آزادی نشاندهنده انعطافپذیری بالاتر سیستم در تراز کردن ابزار است و آن را به یک پارامتر مهم برای طراحی بازوی رباتیک تبدیل میکند. به عنوان مثال، یک ربات سریالی را در نظر بگیرید که در آن عدد اغلب به تعداد مفاصل چرخان تک محوره در بازو اشاره دارد.
در سیستمهای بازوی مکانیکی سری و موازی، عملگر نهایی با پنج درجه آزادی قرار میگیرد که شامل سه درجه آزادی انتقالی و دو درجه برای جهتگیری است. بنابراین، میتوان رابطه مستقیمی بین موقعیت محرک و تنظیمات بازوی مکانیکی یافت.
فضای کاری ربات (Workspace)
مجموعه تمام مکانهایی که عملگر نهایی میتواند به آنها دسترسی داشته باشد، فضای کاری ربات است که گاهی اوقات به عنوان فضای قابل دسترس شناخته میشود. طول اتصالات، محدودیتهای چرخشی و انتقالی، طراحی کلی مکانیزم و سایر عوامل، همگی بر فضای کاری تأثیر میگذارند. با تغییر طول اتصالات و درجات آزادی مجاز برای مکانیزم، حجم فضای کاری ایجادشده از این طریق، فضای قابل استفاده برای ربات را مشخص میکند.
طراحی الکترونیک بازوی رباتیک
کنترل سروو موتور
سروو موتورها میتوانند یا موتورهای AC یا DCباشند. سروو موتورها اغلب به لطف چیدمان دنده داخلی، نسبت گشتاور به اینرسی بسیار خوبی ارائه میدهند. به دلیل حلقه کنترل فیدبک، دقت نسبتاً بالایی دارند.
سروو موتورهای DC کوچک و قابل حمل برای استفاده در اسباببازیها، کاربردهای رباتیک آموزشی و هواپیماهای RC محبوب هستند. سِرووهای معمولی دارای محدودیت چرخشی حدود ۹۰ تا ۱۸۰ درجه هستند؛ با این حال، انواعی از سرووها و محرکها نیز وجود دارند که دامنه چرخش پیوسته یا بیشتری را فراهم میآورند.
به دلیل توانایی آنها در ارائه درجه بالایی از دقت جهت گیری فضایی، سروو موتورها انتخابی عالی برای استفاده در بازوها و پاهای ربات، فرمان رک و پینیون و اسکنرهای حسگر هستند. از آنجایی که این سروو موتورها کاملاً مستقل هستند، تنظیم حلقههای کنترل سرعت و زاویه ساده است.
سیم کشی سرووموتور
موتورهای سروو معمولاً سه سیم دارند: زمین (معمولاً مشکی/قهوهای)، تغذیهٔ مثبت (معمولاً قرمز) و سیم سیگنال (معمولاً سفید، نارنجی یا زرد) که سطح منطقی آن بین ۳ تا ۵ ولت است..
ولتاژ تغذیهٔ سروو — برای بسیاری از سرووهای رایج بین ۴/۸ تا ۶ ولت تعیین میشود؛ اما براساس نوع و اندازهٔ سروو، مقادیر متفاوت نیز مشاهده میگردد.
سیم سیگنال (سیم زرد/نارنجی/سفید): سیمهای سیاه و قرمز، برق سروو موتور را تأمین میکنند، اما سیم سیگنال، دستورات مورد استفاده برای کنترل سروو را منتقل میکند. یک موج مربعی منطقی با طول موج مشخص (اغلب ۵۰ هرتز) معمولاً به سروو منتقل میشود که باعث میشود در زاویه مشخصی جهتگیری کند زیرا عرض پالس سیگنال PWM تعیینکننده زاویه چرخش سروو است.
میکروکنترلر
سروو موتورها از میکروکنترلرها برای تنظیم دقت و موقعیت زاویهای خود استفاده میکنند.
کنترل بازوی رباتیک:
بازوهای رباتیک ممکن است قادر به عملیات خودکار یا کنترل دستی توسط اپراتور باشند. در حالت دستی، یک اپراتور آموزشدیده (برنامهنویس) به ربات دستور میدهد تا ماموریت خود را انجام دهد و از یک ابزار کنترل قابل حمل (یک آویز آموزشی) برای انجام عملیات استفاده میکند. این فرآیند از نظر زمانی کارایی پایینی دارد.
پیکربندی کنترل چند سطحی یک بازوی رباتیک استاندارد شامل یک میکروکنترلر، درایور و یک رابط کاربری مبتنی بر کامپیوتر است. روشهای سینماتیک معکوس (Inverse Kinematics) برای ارائه انعطافپذیری در برنامهریزی و کنترل سیستم مورد استفاده قرار میگیرند. حالت دستی نیز میتواند برای انجام این کار استفاده شود. یک میکروکنترلر معمولی دارای یک برد برنامهنویسی/توسعه متصل به آن است.
طراحی بازو رباتیک
معیارهای انتخاب عامل انتهایی مناسب؟
در رباتیک، یک عامل انتهایی (end effector) ابزار یا وسیلهای است که بهعنوان جایگزین عملکردی دست، به انتهای بازوی ربات متصل میشود. عامل انتهایی ربات، جزئی است که با دنیای خارج تعامل دارد. طراحی یک عامل انتهایی، و همچنین سختافزار و نرمافزاری که آن را تغذیه میکنند، به وظیفهای که ربات انجام میدهد بستگی دارد.
کاربردهای بسیار متنوعی برای رباتها وجود دارد که برای هر کدام باید یک عامل نهایی انتخاب شود. این میتواند یک رابط جوشکاری برای نگه داشتن الکترودها یا یک گیره شبیه دست باشد که برای عملیات برداشتن و گذاشتن در یک منطقه خاص طراحی شده است، مطابق طراحیهای رایج صنعتی.
بازوی رباتیک که مهمترین جزء بازوی رباتیک است، میتواند رابطی شبیه به پیستوله رنگپاش برای نقاشی یا پلتفرمی برای شبیهسازی داشته باشد. ابزارهای انتهایی پنوماتیکی، الکتریکی یا هیدرولیکی همگی امکانپذیر هستند. معمولاً از سروو موتورها برای به حرکت درآوردن ابزارهای انتهایی استفاده میشود.
نتیجهگیری
تحویل ورق از پشته به دستگاه برش، توجیه اصلی برای انتخاب یک بازوی رباتیک است. دستگاه برش و پشته ورقها نزدیک به یکدیگر قرار دارند. از هر روش حمل و نقل دیگری، مانند یک ربات خطی، نمیتوان استفاده کرد زیرا آنها بسیار نزدیک به هم هستند. بازوی رباتیک مکانیزم برداشتن و گذاشتن با موفقیت طراحی شده است.