מהם הגורמים העיקריים המשמשים לסיווג רובוטים תעשייתיים?

יש מיליוני רובוטים תעשייתיים פעילים במפעלי Industry 4.0 סביב העולם. הם משמשים להגדלת קצבי ייצור, שיפור איכות, הפחתת עלויות ותמיכה בפעולות גמישות וברות קיימא יותר. בשל חשיבותם של‏ רובוטים תעשייתיים, הארגון הבינלאומי לתקינה (International Organization for Standardization ‏(ISO‏)) פיתח את תקן 8373:2021, אוצר מילים ברובוטיקה, כדי להגדיר מונחים המשמשים ברובוטיקה ולספק‏ שפה משותפת לדיון בסוגים הרבים של רובוטים וביישומיהם.

האיגוד הבינלאומי של‏ רובוטים (International Federation of Robots‏ (IFR)) השתמש במונחי מפתח המוגדרים ב-ISO 8373:2021 כדי לזהות שש קטגוריות רובוטים בהתבסס על המבנה המכני שלהם, כולל:

• רובוט מפרקי (Articulated)
• רובוט קרטזי (Cartesian)
• רובוט גלילי (Cylindrical)
• רובוט דלתא/מקבילי (Parallel/Delta)
• רובוט קוטבי (Polar)
• רובוט SCARA‏

מאמר זה סוקר את ISO 8373:2021, מתבונן בארבעת מונחי המפתח המגדירים רובוט, מתמקד בצורך ביכולת תכנות חוזר, והסוגים והמספרים של מפרקי רובוט המשמשים את IFR כדי לפתח סיווגי רובוטים. לאחר מכן הוא חופר בפרטים ובניואנסים של כל סיווג רובוט ומציג רובוטים דוגמה ממספר יצרנים. לאורך הדרך, המאמר מסתכל גם על מערכות הנקראות רובוטים שאינן עומדות בכל דרישות ה-ISO.

ה-ISO 8373:2021 מגדיר‏ רובוט תעשייתי כ"מניפולטור רב-תכליתי נשלט אוטומטית הניתן לתכנות חוזר, ניתן לתכנות בשלושה צירים או יותר, שיכול להיות קבוע במקום או מקובע לפלטפורמה ניידת עבור שימוש ביישומי אוטומציה‏ בסביבה תעשייתית".

יכולת תכנות חוזר היא גורם מבדל מכריע. מכונות תעשייתיות מסוימות עשויות להיות בעלות מניפולטורים ולנוע במספר צירים, מסוגלות לטפל במשימות ספציפיות כמו להרים בקבוקים בפס מילוי משקעות ולהניח אותם בתוך קופסה. אך הן אינן רובוט אם הן מיועדות לאותה מטרה יחידה ואינן ניתנות לתכנות חוזר. "ניתן-לתכנות-חוזר"‏ מוגדר ב-ISO 8373‏ כ"מתוכנן כך שהתנועות המתוכנתות או פונקציות העזר ניתנות לשינוי ללא שינויים פיזיים".

סוגי ומספרי מפרקים של‏ רובוט

ISO 8373‏ מגדיר שני סוגים של מפרקי‏ רובוט:

• מפרק פריזמטי (Prismatic joint) או מפרק הזזה (Sliding joint), הוא הרכבה בין שתי חוליות המאפשרת תנועה ליניארית של האחת ביחס לשנייה.
• מפרק סיבובי (Rotary joint) או Revolute joint, הוא הרכבה המחברת בין שתי חוליות המאפשרת לאחת להסתובב ביחס לשנייה סביב ציר קבוע.

ה-IFR השתמש בהגדרות אלו ונוספות של ISO 8373‏ לזיהוי שישה סיווגי רובוטים תעשייתיים בהתבסס על המבנה המכני או הטופולוגיה שלהם. נוסף לכך, לטופולוגיות רובוט שונות יש מספר שונה של צירים, ולכן מספר שונה של מפרקים.

מספר‏ הצירים הוא מאפיין מפתח של רובוטים תעשייתיים. מספר‏ הצירים והסוגים שלהם קובעים את טווח התנועה של הרובוט. כל ציר מייצג תנועה עצמאית או דרגת חופש‏. יותר דרגות חופש גורמות ליכולת של‏ רובוט לנוע בחללים גדולים ומורכבים יותר. לסוגי רובוטים מסוימים יש מספר‏ קבוע של דרגות חופש, בעוד לאחרים יכולים להיות מספרים שונים של דרגות חופש.

אפקטורי קצה, הנקראים גם כלי קצה-הזרוע (EOAT‏) או "מניפולטורים רב-תכליתיים" ב-ISO 8373‏, הם אלמנט חשוב נוסף במרבית הרובוטים. יש‏ מגוון רחב של‏ אפקטורי קצה, כולל תפסניות, כלי תהליך ייעודיים כמו מברגים, מרססי צבע, או מרתכים, וחיישנים, כולל מצלמות. הם יכולים להיות פנאומטיים, חשמליים או הידראוליים. אפקטורי קצה מסוימים יכולים להסתובב, ובכך מעניקים לרובוט דרגת חופש נוספת.

הקטעים הבאים מתחילים עם הגדרת ה-IFR לכל טופולוגיית רובוט ולאחר מכן בוחנים את היכולות והיישומים שלהם.

רובוטים מפרקיים (Articulated robots) הם בעלי שלושה או יותר מפרקים סיבוביים.

זו מחלקה גדולה של רובוטים‏. רובוטים מפרקיים יכולים להיות בעלי עשרה או יותר צירים, בעלי שישה הם הנפוצים ביותר. רובוטים שישה-צירים יכולים לנוע במישורים x‏, y ו-z‏ ולהסתובב סביב צירי עלרוד (Pitch), סבסוב (Yaw) וגלגול (Roll), מה שמאפשר להם לחקות את התנועה של‏ זרוע בן אדם.

הם זמינים גם עם‏ מגוון רחב של‏ קיבולות מטען, מפחות מ-1 ק"ג עד יותר מ-0‏20‏ ק"ג. גם יכולות טווח הנגיעה של רובוטים אלה שונות במידה רבה, מפחות מ-1 מ' עד מטרים רבים. לדוגמה, ה-KR 10 R1100-2 מבית KUKA‏ הוא רובוט מפרקי שישה-צירים עם טווח נגיעה מקסימלי של 1,101 מ"מ, מטען מקסימלי של‏ ‏10.9 ק"ג וחזרתיות תנוחה של‏ 0.02‏± מ"מ (איור 1‏). הוא מתאפיין גם בתנועות מהירות, זמני מחזור קצרים, ומערכת אספקת אנרגיה משולבת.

איור 1: רובוט מפרקים שישה-צירים KUKA עם חזרתיות תנוחה של ±0,02 מ"מ. (מקור תמונה: DigiKey‏)

רובוטים מפרקיים יכולים להיות מורכבים באופן קבוע על הרצפה, קיר או תקרה. הם יכולים להיות מורכבים גם על מסילות על הרצפה או עיליות, על גבי רובוט נייד אוטונומי או פלטפורמה ניידת אחרת, ומונעים בין תחנות עבודה.

הם משמשים למשימות שונות, כולל טיפול בחומרים, ריתוך, צביעה ובדיקה. רובוטים מפרקיים הם הטופולוגיה הנפוצה ביותר עבור יישום רובוטים שיתופיים (קובוטים) המתוכננים לעבוד עם בני אדם. בעוד רובוט קונבנציונלי פועל בכלוב בטיחות עם מחסומי בטיחות, קובוט מתוכנן לאינטראקציה קרובה עם בני אדם. לדוגמה, קובוט ה-LXMRL12S0000 מבית Schneider Electric‏ הוא בעל טווח נגיעה מקסימלי של 1,327 מ"מ, מטען מקסימלי של‏ ‏12 ק"ג וחזרתיות תנוחה של‏ ±0,03 מ"מ. לעיתים קרובות, קובוטים כוללים הגנה מפני התנגשות, קצוות מעוגלים, מגבילי כוח ומשקל קל יותר עבור בטיחות מוגברת.

רובוט קרטזי (Cartesian robot) (לפעמים נקרא רובוט מלבני, רובוט ליניארי או רובוט גנטרי) הוא בעל מניפולטור עם שלושה מפרקים פריזמטיים שציריהם יוצרים מערכת קואורדינטות קרטזית.‏

רובוטים קרטזיים מותאמים זמינים עם שני מפרקים פריזמטיים. עדיין, הם אינם עומדים בדרישות ISO 8373‏ בכך שהם חייבים להיות "ניתנים-לתכנות בשלושה צירים או יותר" ועל כן, באופן טכני, הם אינם רובוטים.

יש יותר מדרך אחת להגדיר תצורה של שלושה מפרקים, ולכן, יותר מדרך אחת להגדיר תצורה של רובוט קרטזי. בטופולוגיה‏ קרטזית בסיסית, כל שלושת המפרקים נמצאים בזווית ישרה, עם אחד נע בציר ה-x‏, מחובר‏ לשני הנע בציר ה-y, שמחובר‏ לשלישי הנע בציר ה-z.

למרות שמשמש לעתים קרובות כשם נרדף לרובוט קרטזי, טופולוגיית הגנטרי היא לא זהה.‏ כמו רובוט קרטזי בסיסי,‏ רובוטים גנטרי תומכים בתנועות לינאריות בחלל תלת-ממדי. אך רובוטים גנטרי הם מוגדרי-תצורה עם שתי מסילות ציר-x בסיסיות, מסילת ציר-y נתמכת המשתרעת על פני שני צירי x, וציר-z נתמך המחובר לציר ה-y. לדוגמה, ה-DLE-RG-0012-AC-800-800-500 מבית Igus‏ הוא רובוט‏ גנטרי עם אזור עבודה של‏ 800 מ"מ x‏ 800 מ"מ x‏ 500 מ"מ היכול לשאת עד 5‏ ק"ג ולנוע במהירות של עד 1.0 מ' לשנייה עם חזרתיות של 0.5‏± מ"מ (איור 2‏).

איור 2: רובוט גנטרי Igus‏ עם חלל עבודה של‏ 800 מ"מ x‏ 800 מ"מ x‏ 500 מ"מ. (מקור תמונה: Igus‏)

רובוט גלילי (Cylindrical robot) הוא בעל מניפולטור עם לפחות מפרק אחד סיבובי ולפחות מפרק אחד פריזמטי, שציריו יוצרים‏ מערכת קואורדינטות גלילית.

רובוטים גליליים הם פשוטים וקומפקטיים יחסית, וטווח התנועה המוגבל יחסית שלהם הופך אותם לקלים‏ לתכנות. הם פחות נפוצים מבני הדודים שלהם המורכבים יותר. עדיין, הם מתאימים במיוחד עבור יישומים כמו תהליכי ליטוש, העמסת משטחים, ריתוך (בעיקר ריתוך נקודתי) וטיפול בחומרים, לדוגמה, טעינה ופריקה של פרוסות מוליכים למחצה בקסטות בפעולת ייצור מעגלים משולבים (איור 3‏).

איור 3: רובוט גלילי זה הוא בעל מפרק אחד סיבובי ופריזמטי. (מקור תמונה: Association for Advancing Automation)

רובוטים גליליים בדרך כלל נעים במהירויות של‏ 1 עד ‏‎10 m/s, וניתן לתכנן אותם לשאת עומסים כבדים. יישומים עבור רובוטים גליליים ניתן למצוא בתעשיות רכב, תרופות, מזון ומשקאות, תעופה-וחלל, אלקטרוניקה ואחרות.

רובוט דלתא/מקבילי (Parallel/Delta robot)‏ הוא מניפולטור שלזרועותיו חוליות היוצרות מבנה לולאה סגורה.

בעוד רובוטים אחרים, כמו טופולוגיות גליליות או קרטזיות, נקראים על שם תנועתם, רובוט הדלתא נקרא על שם צורתו המשולשת ההפוכה. לרובוט דלתא יש 2 עד 6 צירים, כשתכני 2 ו-3 צירים הם הנפוצים ביותר. כמו רובוטים קרטזיים 2-צירים, רובוטים דלתא 2-צירים אינם עומדים טכנית בדרישות של ISO 8373‏ להיקרא רובוטים.

רובוטים דלתא מתוכננים למהירות ולא לחוזק. הם מורכבים מעל אזור העבודה ומבצעים פונקציות כמו Pick-and-Place, מיון, פרוק ואריזה. הם מצויים לרוב מעל מסוע, מעבירים חלקים לאורך פס‏ ייצור. התופסן מחובר למוטות חיבור דקים וארוכים. מוטות חיבור אלה מובילים לשלושה או ארבעה מנועים גדולים בבסיס הרובוט. הקצה השני של מוטות החיבור‏ מחובר ללוח כלי אליו מתחבר ה-EOAT‏.

ה-RBTX-IGUS-0047 מבית Igus הוא דוגמה לרובוט דלתא 3-צירים. יש לו קוטר חלל עבודה של‏ 660 מ"מ ויכול לטפל בעומס‏ מקסימלי של‏ ‏5‏ ק"ג. כשמטפל בעומס של‏ ‏0.5‏ ק"ג, הוא יכול לבצע 30‏ הרמות לדקה, לנוע במהירות מקסימלית של ‏‎0.7 m/s ותאוצה של‏ ‎2 m/s². יש לו חזרתיות של ±0.5 מ"מ (איור 4).

איור 4: רובוט דלתא תלת-צירי ובקר (שמאל). (מקור תמונה: DigiKey‏)

רובוט קוטבי (Polar robot) (רובוט כדורי) הוא מניפולטור עם שני מפרקים סיבוביים ומפרק אחד פריזמטי, שציריו יוצרים מערכת קואורדינטות קוטבית.

אחד מהמפרקים הסיבוביים מאפשר לרובוט הקוטבי להסתובב סביב הציר האנכי שמשתרע מעלה מהבסיס. המפרק הסיבובי השני הוא בזווית ישרה למפרק הסיבובי הראשון ומאפשר לזרוע הרובוט להתנדנד למעלה ולמטה. לבסוף, המפרק הפריזמטי מאפשר לרובוט להושיט או להסיג את הזרוע מהציר האנכי.

רובוטים קוטביים, בעוד פשוטים מבחינת בנייה, יש להם חסרונות המגבילים את השימוש בהם בהשוואה לטופולוגיות אחרות כמו רובוטים מפרקיים, קרטזיים, ו-SCARA‏:

• מערכת הקואורדינטות הכדורית עושה את התכנות למורכב יותר.
• אופיינית הם בעלי יכולת מטען מוגבלת יותר‏ מסוגי רובוט אחרים.
• הם איטיים יותר מרובוטים אחרים.

היתרונות העיקריים של‏ רובוטים קוטביים כוללים חלל עבודה גדול ודיוק רב. הם משמשים עבור עיבוד אוטומטי של מתכות, פעולות הרכבה, טיפול בחומרים בפסי ייצור כלי-רכב וריתוך גז וקשת חשמלית.

רובוט SCARA‏ (מ-"selectively compliant arm for robotic assemblies") הוא‏ מניפולטור עם שני מפרקים סיבוביים מקבילים כדי לספק תאימות‏ במישור נבחר.

לרובוט‏ SCARA‏ בסיסי יש שלוש דרגות חופש, השלישית מאפקטור קצה‏ מסתובב. רובוטים SCARA‏ זמינים גם עם מפרק‏ סיבובי נוסף, בסך הכל ארבע דרגות חופש המאפשרות תנועות מורכבות יותר.

רובוטים SCARA‏ משמשים לעתים קרובות ביישומי Pick-and-Place או הרכבה, היכן שדרושים דיוק גבוה ומהירות גבוהה. לדוגמה, ה-M1-PRO של Dobot‏ הוא רובוט SCARA‏ 4-צירים עם ‏רדיוס עבודה של 400 מ"מ, מטען מקסימלי של‏ ‏1.5 ק"ג וחזרתיות של‏ 0,02‏± מ"מ. יש לו גילוי התנגשות ללא חיישן ותכנות מסוג גרור-כדי-ללמד, מאפיינים שהופכים אותו מתאים לשימוש כקובוט כמו גם כרובוט עצמאי (איור 5‏).

איור 5: רובוט SCARA ארבעה-צירים עם חזרתיות של ±0,02 מ"מ. (מקור תמונה: DigiKey‏)

סיכום

כל הרובוטים התעשייתיים עומדים בדרישת ה-ISO 8373‏ להיות מבוקרים אוטומטית עם מניפולטור ‏רב-תכליתי, ניתן לתכנות חוזר. עם זאת, לא לכל תכן יש מספר‏ מוגדר של צירים עבור טופולוגיה ספציפית. רובוטים קרטזיים ודלתא זמינים עם פחות מהמספר המוגדר של צירים, בעוד לרובוטים SCARA‏ מסוימים יש יותר צירים מהמוגדר על ידי IFR.