Mitkä ovat teollisuusrobottien luokittelun keskeiset tekijät?

Miljoonia teollisuusrobotteja on käytössä Teollisuus 4.0 -tehtaissa ympäri maailmaa. Niiden avulla lisätään tuotantomääriä, parannetaan laatua, vähennetään kustannuksia ja tuetaan joustavampaa ja kestävämpää toimintaa. Teollisuusrobottien merkityksen vuoksi kansainvälinen standardisointijärjestö ISO kehitti standardin 8373:2021, joka määrittelee robotiikan termit ja tarjoaa yhteisen kielen robottien monista tyypeistä ja käyttökohteista keskustelemiseen.

Kansainvälinen robottiliitto (IFR) käytti ISO 8373:2021 -standardissa määriteltyjä keskeisiä termejä identifioidakseen kuusi mekaaniseen rakenteeseen perustuvaa robottiluokitusta, jotka ovat:

• Nivelvarsi
• Lineaarinen
• Sylinteri
• Rinnakkainen/delta
• Polaarinen
• SCARA.

Tässä artikkelissa tarkastellaan ISO 8373:2021 -standardia robotin määritelmän neljän keskeisen termin kannalta. Siinä keskitytään uudelleenohjelmoitavuuden tarpeeseen sekä robottinivelten tyyppeihin ja lukumääriin, joita IFR käyttää robottiluokitusten kehittämisessä. Sen jälkeen artikkelissa luodaan syvempi katsaus kunkin robottiluokituksen yksityiskohtiin ja vivahteisiin ja esitellään esimerkkejä useiden eri valmistajien roboteista. Artikkelissa käsitellään myös roboteiksi kutsuttuja järjestelmiä, jotka eivät täytä kaikkia ISO-standardin vaatimuksia.

ISO 8373:2021 -standardin määritelmän mukaan teollisuusrobotti on ”automaattisesti ohjattava, uudelleenohjelmoitava, monikäyttöinen manipulaattori, joka on ohjelmoitavissa kolmella tai useammalla akselilla ja joka voidaan joko kiinnittää paikalleen tai liikkuvaan alustaan teollisuusympäristön automaatiosovelluksia varten”.

Uudelleenohjelmoitavuus on ratkaiseva ero. Joissakin teollisuuskoneissa voi olla manipulaattoreita ja ne voivat liikkua useilla akseleilla suorittaen tiettyjä tehtäviä, kuten poimia pulloja täyttölinjalta ja asettaa niitä laatikkoon. Mutta kyseessä ei ole robotti, jos koneella on vain yksi ainoa käyttötarkoitus eikä se ole uudelleenohjelmoitava. Termin ”uudelleenohjelmoitava” määritelmä ISO 8373 -standardissa on ”suunniteltu siten, että ohjelmoituja liikkeitä tai aputoimintoja voidaan muuttaa ilman fyysisiä muutoksia”.

Robottien niveltyypit ja nivelten lukumäärä

ISO 8373 määrittelee kaksi erityyppistä robotin niveltä:

• Prismaattinen nivel eli liukunivel on kahden linkin välinen mekanismi, joka mahdollistaa yhden linkin lineaarisen liikkeen suhteessa toiseen.
• Kiertonivel on kokoonpano, joka yhdistää kaksi linkkiä siten että toinen niistä voi kiertyä toisen ympäri suhteessa toiseen kiinteän akselin ympäri.

IFR on käyttänyt näitä ja muita ISO 8373 -määritelmiä kuuden teollisuusrobottiluokituksen määrittämiseen niiden mekaanisen rakenteen tai topologian perusteella. Eri robottitopologioissa on lisäksi eri määrä akseleita ja siten eri määriä niveliä.

Akselien määrä on teollisuusrobottien keskeinen ominaisuus. Akselien määrä ja niiden tyyppi määrää robotin liikeradan. Jokainen akseli edustaa itsenäistä liikettä tai vapausastetta. Useampien vapausasteiden avulla robotti kykenee liikkumaan suurempien ja monimutkaisempien tilojen läpi. Joillakin robottityypeillä on kiinteä määrä vapausasteita, kun taas toisilla voi olla eri määriä vapausasteita.

Päätetyövälineet eli tarraimet (EOAT) tai ”monikäyttöiset manipulaattorit” ovat ISO 8373 -standardissa toinen tärkeä useimpien robottien elementti. Saatavana on laaja valikoima päätetyövälineitä, kuten tartuntaelimet, sekä erityiskäyttöön tarkoitettuja prosessityökaluja, kuten ruuvitaltta, maaliruisku, hitsausvälineet sekä anturit, kamerat mukaan lukien. Ne voivat olla pneumaattisia, sähköisiä tai hydraulisia. Jotkin työkalut pyörivät antaen robotille yhden vapausasteen lisää.

Seuraavat osiot alkavat kunkin robottitopologian IFR-määrittelyllä, minkä jälkeen tarkastellaan niiden ominaisuuksia ja käyttökohteita.

Nivelroboteissa on kolme tai useampia kiertoniveliä.

Tähän luokkaan kuuluu suuri määrä robotteja. Nivelroboteilla voi olla kymmenen akselia tai enemmänkin. Kuusi akselia on yleisin lukumäärä. Kuusiakseliset robotit voivat liikkua x-, y- ja z-tasoissa, minkä lisäksi ne voivat suorittaa kallistus-, kierto- ja pyöritysliikkeitä, joiden avulla ne voivat jäljitellä ihmisen käsivarren liikkeitä.

Saatavana on myös laaja valikoima erilaisia hyötykuormakapasiteetteja alle 1 kilogrammasta yli 200 kilogrammaan. Myös näiden robottien ulottuvuudet vaihtelevat suuresti alle 1 metristä useisiin metreihin. Esimerkiksi KUKA-yhtiön KR 10 R1100-2 on kuusiakselinen nivelrobotti, jonka enimmäisulottuvuus on 1101 mm, suurin hyötykuorma 10,9 kg ja asennon toistettavuus ±0,02 mm (kuva 1). Se tarjoaa myös nopeat liikkeet, lyhyet toimintajaksot ja integroidun energiansyöttöjärjestelmän.

Kuva 1: Kuusiakselinen nivelrobotti, jonka asennon toistettavuus on ±0,02 mm. (Kuvan lähde: DigiKey)

Nivelrobotit voidaan asentaa kiinteästi lattiaan, seinään tai kattoon. Ne voidaan asentaa myös lattialla tai katossa kulkeviin kiskoihin, autonomisesti liikkuvan robotin tai muun liikkuvan alustan päälle, ja niitä voidaan siirtää työasemien välillä.

Niitä käytetään erilaisiin tehtäviin, kuten materiaalin käsittelyyn, hitsaukseen, maalaamiseen ja tarkastuksiin. Nivelrobotti on yleisin topologia, jota käytetään ihmisten kanssa työskentelyä varten suunniteltujen yhteistyörobottien (cobottien) toteuttamiseen. Siinä, missä perinteiset robotit toimivat turvaesteillä varustetuissa turvahäkeissä, yhteistyörobotit on suunniteltu läheiseen vuorovaikutukseen ihmisten kanssa. Esimerkiksi Schneider Electricin LXMRL12S0000-yhteistyörobotin enimmäisulottuvuus on 1327 mm, suurin hyötykuorma 12 kg ja asennon toistettavuus ±0,03 mm. Yhteistyöroboteissa on usein törmäyssuojaus, pyöristetyt reunat, voimarajat ja kevyempi paino turvallisuuden parantamiseksi.

Lineaarisella robotilla on manipulaattori, jossa on kolme suorakulmaisen koordinaatiston muodostavaa prismaattista niveltä.

Saatavana on myös kahdella prismaattisella nivelellä varustettuja muokattuja lineaarisia robotteja. Ne eivät silti täytä ISO 8373 -standardin vaatimusta, jonka mukaan niiden on oltava ”ohjelmoitavissa kolmella tai useammalla akselilla”, joten ne eivät ole teknisesti ottaen robotteja.

Kolmen prismaattisen nivelen ohjelmointiin on olemassa useampi kuin yksi tapa ja siten useampi kuin yksi tapa määrittää lineaarisen robotin toiminta. Perustyyppisessä suorakulmaisessa topologiassa kaikki kolme niveltä ovat suorassa kulmassa toisiinsa nähden. Niistä yksi liikkuu x-akselilla ja se on kiinnitetty toiseen y-akselilla liikkuvaan niveleen, joka on puolestaan kiinnitetty kolmanteen z-akselilla liikkuvaan niveleen.

Portaalirobotti ei ole täysin samanlainen kuin lineaarinen robotti, vaikka näitä termejä käytetäänkin usein synonyymeina. Perustyyppisen lineaarisen robotin tavoin portaalirobotit tukevat lineaarisia liikkeitä kolmiulotteisessa tilassa. Mutta portaalirobotit käyttävät kahta perus-x-akselikiskoa, kahden x-akselin ylittävää tuettua y-akselia ja y-akseliin kiinnitettyä itsekantavaa z-akselia. Esimerkiksi Igus-yrityksen DLE-RG-0012-AC-800-800-500 on portaalirobotti, jonka työskentelyalue on 800 mm x 800 x 500 mm ja joka pystyy kantamaan jopa 5 kg ja liikkumaan jopa 1,0 m/s nopeudella, minkä lisäksi sen toistettavuus on ±0,5 mm (kuva 2).

Kuva 2: Portaalirobotti, jonka työskentelyalue on 800 x 800 x 500 mm. (Kuvan lähde: Igus)

Sylinterirobotissa on manipulaattori, jossa on ainakin yksi pyörivä nivel ja ainakin yksi prismaattinen nivel, joiden akselit muodostavat sylinterimäisen koordinaatiston.

Sylinterirobotit ovat suhteellisen yksinkertaisia ja kompakteja, ja niiden rajoitetut liikeradat helpottavat niiden ohjelmointia. Ne ovat harvinaisempia kuin monimutkaisemmat robottityypit. Ne sopivat kuitenkin erityisesti tiettyihin käyttökohteisiin, esimerkiksi hiontaprosesseihin, lavankäsittelyyn, hitsaukseen (erityisesti pistehitsaukseen) ja materiaalin käsittelyyn, esimerkiksi puolijohdekiekkojen kasettilastaamiseen ja -purkamiseen integroitujen piirien valmistuksessa (kuva 3).

Kuva 3: Tässä sylinterirobotissa on yksi pyörivä ja yksi prismaattinen nivel. (Kuvan lähde: Association for Advancing Automation.)

Sylinterirobotit liikkuvat yleensä nopeudella 1–10 m/s ja ne voidaan suunnitella kantamaan raskaita kuormia. Sylinterirobottien käyttökohteita ovat autoteollisuus, lääketeollisuus, elintarvike- ja juomateollisuus, ilmailuteollisuus, elektroniikkateollisuus ja muut teollisuudenalat.

Rinnakkainen/delta-robotti on manipulaattori, jonka käsivarsien linkit muodostavat suljetun silmukan.

Siinä missä sylinteri- ja lineaariset robotit on nimetty liikeratojensa mukaan, delta-robotti on nimetty ylösalaisin olevan kolmiomuotonsa mukaan. Delta-roboteilla on 2–6 akselia, joista 2- ja 3-akseliset mallit ovat yleisimpiä. 2-akselisten lineaaristen robottien tavoin 2-akseliset delta-robotit eivät teknisesti täytä ISO 8373 -standardin vaatimuksia, jotta niitä voitaisiin kutsua roboteiksi.

Delta-robottien suunnitteluperiaate painottaa nopeutta voiman sijasta. Ne asennetaan työskentelyalueen yläpuolelle, ja ne suorittavat ladonnan, lajittelun, purkamisen ja pakkaamisen kaltaisia toimintoja. Niitä käytetään usein kuljettimen yläpuolella siirtämässä osia tuotantolinjaa pitkin. Tartuntaelin on liitetty pitkiin, ohuisiin mekaanisiin vivustoihin. Nämä vivustot johtavat kolmeen tai neljään suureen moottoriin robotin jalustassa. Vivustojen toinen pää on kiinnitetty työkalulevyyn, johon tarrain kiinnitetään.

Igusin RBTX-IGUS-0047 on esimerkki 3-akselisesta delta-robotista. Sen työskentelyalueen halkaisija on 660 mm ja se voi käsitellä jopa 5 kg:n kuormia. 0,5 kg:n kuormia käsiteltäessä se voi tehdä 30 poimintaa minuutissa enimmäisnopeudella 0,7 m/s ja kiihtyvyydellä 2 m/s². Sen toistotarkkuus on ±0,5 mm (kuva 4).

Kuva 4: Kolmiakselinen delta-robotti ja ohjain (vasemmalla). (Kuvan lähde: DigiKey)

Polaarinen robotti (pallorobotti) on manipulaattori, jossa on kaksi kiertoniveltä ja yksi prismaattinen nivel, joiden akselit muodostavat polaarisen koordinaatiston.

Yksi kiertonivelistä mahdollistaa polaarisen robotin kierron alustasta ylöspäin ulottuvan pystyakselin ympäri. Toinen kiertonivel on suorassa kulmassa ensimmäiseen kiertoniveleen, ja sen avulla robottivarsi voi kääntyä ylös ja alas. Lopuksi prismaattisen nivelen avulla robottivarsi voi pidentyä tai lyhentyä pystyakselilta poispäin tai sitä kohti.

Vaikka polaaristen robottien rakenne onkin yksinkertainen, niissä on haittapuolia, jotka rajoittavat niiden käyttöä nivelvarsi-, lineaarisiin ja SCARA-robotteihin verrattuna:

• Polaarinen koordinaatisto tekee ohjelmoinnista monimutkaisempaa.
• Niillä on tyypillisesti rajallisempi hyötykuormakapasiteetti kuin muuntyyppisillä roboteilla.
• Ne ovat hitaampia kuin muut robotit.

Polaaristen robottien tärkeimmät edut ovat suuri työskentelyalue ja korkea tarkkuus. Niitä käytetään työstökoneiden hoitoon, kokoonpanoon, materiaalien käsittelyyn autojen kokoonpanolinjoissa sekä kaasu- ja kaarihitsaukseen.

SCARA-robotti (”Selectively Compliant Arm for Robotic Assemblies”) on manipulaattori, jossa on kaksi rinnakkaista kiertoniveltä tarjoamaan liikkuvuuden valitulla tasolla.

Perustyypin SCARA-robotilla on kolme vapausastetta, joista kolmas tulee pyörivästä päätetyövälineestä. SCARA-robotteja on saatavana myös ylimääräisellä kiertonivelellä yhteensä neljää vapausastetta varten, mikä mahdollistaa monimutkaisemmat liikkeet.

SCARA-robotteja käytetään usein ladontasovelluksissa tai kokoonpanosovelluksissa, joissa tarvitaan suurta nopeutta ja suurta tarkkuutta. Esimerkiksi Dobot-yrityksen M1-PRO on 4-akselinen SCARA-robotti, jonka työskentelysäde on 400 mm, suurin hyötykuorma 1,5 kg ja toistettavuus ±0,02 mm. Siinä on anturiton törmäystunnistus ja käsin ohjaamista hyödyntävä ohjelmointi, joten se sopii käytettäväksi sekä yhteistyörobottina että itsenäisenä robottina (kuva 5).

Kuva 5: Neliakselinen SCARA-robotti, jonka toistettavuus on ±0,02 mm. (Kuvan lähde: DigiKey)

Yhteenveto

Kaikki teollisuusrobotit täyttävät ISO 8373 -standardin vaatimuksen siitä, että niiden pitää olla automaattisesti ohjattuja uudelleen ohjelmoitavalla monikäyttöisellä manipulaattorilla. Kaikissa malleissa ei kuitenkaan ole määrittelyiden mukaista määrää akseleita tietylle topologialle. Delta- ja lineaarisia robotteja on saatavana määrittelyä vähemmällä määrällä akseleita, kun taas joissakin SCARA-roboteissa on IFR-määrittelyä enemmän akseleita.