Průmyslové roboty v praxi Ing. Petr Mráz, Ph.D. Ústav výrobních strojů a mechanismů, Horská 3, Praha 2 tel: 224 35 9192, e-mail:
[email protected]
1. Rozdělení robotů podle kinematiky 2. Sériová versus paralelní kinematika 3. Přehled sériově vyráběných průmyslových robotů a jejich aplikace 4. Servisní roboty Použitá literatura a webové stránky: Mráz P., Talácko J. : Konstrukce strojů s kompozitními materiály, ČVUT Praha 2006 www.automatizace.cz, www.staubli.com, www.sef.de, www.motoman.com, www.abb.com/robotics, www.kuka.com, www.fanucrobotics.de, www.mitsubishi-automation.com, www.boschrexroth.com, www.liebherr.com, www.kawasakirobot.de, www.ocrobotics.com, www.roboterforum.de, www.adept.de, roboter.industrienet.de
1. Rozdělení robotů podle kinematiky Důležitým kritériem při výběru robota je tvar a velikost jeho pracovního prostoru. Ten je daný kinematikou, tedy kombinací rotačních a posuvových os v kartézských a cylindrických souřadnicích (obr.1. a 2). V průmyslu stále převažují roboty se sériovou kinematikou; roboty se smíšenou nebo paralelní kinematikou se používají jen ve speciálních případech.
Obr. 1. - Rozdělení obráběcích strojů a robotů podle kinematiky Schéma kinematiky
HA - hlavní osy: rotace z, y, y NA - vedlejší osy: rotace x, x, y
kinematika Scara HA - hlavní osy: rotace z, z, posuv z NA - vedlejší osy: rotace z, rotace y
Příklad
ABB IRB 140 6 os, opakovatelná přesnost: ±0,03 mm, nosnost: 5 kg, celková hmotnost 98 kg, elektrické pohony
Rexroth Turboscara SR 4/6/8 4 osy, opakovatelná přesnost: ±0,025 mm nosnost: 2 kg, celková hmotnost 18 kg, elektrické pohony
Parametry robotu z příkladu Hlavní osy: 1. osa - rotace z: -180° až + 180°, rozsah: 360 °, rychlost 200°/s 2. osa - rotace y: -90° až +110°, rozsah: 200°, rychlost 200°/s 3. osa - rotace y: -230° až +50°, rozsah: 280 °, rychlost 260 °/s Vedlejší osy: 4. osa - rotace x: rozsah 400°, rychlost 360°/C, 5. osa - rotace y: rozsah 240 °, rychlost 360°/C, 6.osa - rotace x: rozsah 800 °, rychlost 450 °/s
Hlavní osy: 1. osa - rotace z: -130° až + 130°, rozsah: 260 °, rychlost 300°/s 2. osa - rotace z: -151° až +151°, rozsah: 302°, rychlost 440°/s 3. osa - posuv z: 200 mm Vedlejší osy: 4. osa - rotace z
AdeptCartesian 1000x75 4 osy, opakovatelná přesnost: ±0,01 mm pohony elektrické
portálový robot HA - hlavní osy: posuvy x, y, z
cylindrická struktura HA - hlavní osy: rotace z, posuvy x a y
sférická struktura HA - hlavní osy: rotace z a y, posuv x NA - vedlejší osy: rotace x a z
Hlavní osy: 1. osa - posuv x: 1000 mm, rychlost: 1200 mm/s 2. osa - posuv y: 750 mm, rychlost: 1200 mm/s 3. osa - posuv z: 210 mm, rychlost: 1100 mm/s Vedlejší osy: 4. osa – rotace z, rozsah 720 °, rychlost 1200 °/s
paralelní kinematiky: hexapod, tripod, linapod apod.
Obr. 2. - Kinematiky průmyslových robotů s příklady
2. Sériová versus paralelní kinematika Stroje, roboty a manipulátory s paralelní kinematikou mají tyto výhody: -
vysoká strukturní tuhost vysoká poziční přesnost pruty s kulovými nebo kardanovými klouby jsou namáhané pouze na tlak, tah příp. vzpěr bez většího vlivu ohybu jednoduchá montáž (poloha kloubů se zadává do řízení až po montáži) všechny pohony jsou shodné (unifikované díly) malé hmotné pohyblivé části bez rotačních členů a z toho vyplývající vyšší únosnost a vyšší rychlosti pohybů jednoduché části rámu díly rámu nevyžadují zvláštní výrobní nebo montážní přesnost není zapotřebí pohyblivé vedení přívodních kabelů
Nevýhodou paralelních kinematik je nutnost řešení těchto okruhů problémů: -
-
v případě šesti stupňů volnosti je pro řízení lineárních pohybů prutů nutný řídící systém pro 6 pohybových os vysoké nároky na řízení, protože v každém okamžiku pohybu v prostoru je nutné řešit transformaci souřadnic, která vypočítává délku každého prutu pro bod daný v kartézských souřadnicích (6 stupňů volnosti = transformace do šesti prutů) náročné uložení prutů a náročný systém odměřování polohy pro zajištění tuhosti a přesnosti otázky tepelné stability (velké délky prutů) nepříznivý poměr velikosti pracovního prostoru k celkovému objemu stroje
Z historie paralelní kinematiky: Paralelní kinematické struktury byly sice poprvé teoreticky popsány již roku 1890 Maxwellem a roku 1894 Mannheimen [Mannheim, A. – Principles et developements de Geometrie cinematique, Paris, Gauthier Villars 1894], ale první praktické pokusy se datují až daleko později v roce 1956, kdy Altmann navrhl několik prostorových paralelních převodovek s jedním stupněm volnosti. Účelem těchto převodovek byla schopnost vedení tuhého tělesa po definované dráze v prostoru. V roce 1949 navrhl Gough paralelní mechanismus s šesti stupni volnosti, který sloužil pro zátěžové zkoušky pneumatik a dnes by byl nazván hexapodem [Gough, Whitehall – Universal tyre test machine, konference F.I.S.I.T.A., 1962, str.123-145]. V roce 1965 Stewart využil myšlenku paralelních mechanismů při vývoji svého leteckého simulátoru [Stewart - A platform with six degrese of freedom, Proc. Instn. Mech. Engrs. 1965-66, Vol. 180]. Tento mechanismus, známý jako stewartova plošina, má 6 stupňů volnosti a je poháněn třemi otočnými a třemi posuvnými pohony. Odborný výraz paralelní manipulátor se objevuje poprvé v roce 1972 v práci Minského. První takový paralelní manipulátor použili v roce 1979 McCallion a Pham v montážní robotické buňce a analyzovali kinematické vlastnosti paralelních struktur poháněných šesti lineárními pohony v prostoru [McCallion, H. and Pham, D.T. - The Analysis of a Six Degree of Freedom Work Station for Mechanized Assembly, Proceedings of the 5th World Congress on Theory of Machines and Mechanisms, Montreal 1979]. Daimler Benz uvedl roku 1984 do provozu simulátor pro zkoušení jízdních vlastností svých aut a za pět let po té představil Clavel koncept pracovní plošiny Delta, která je vedena třemi stejnými kinematickými řetězci se třemi stupni volnosti. Strukturu Delta rozšířil v roce 1990 Pierrot na paralelní strukturu Hexa, která má plnou pohyblivost se šesti stupni volnosti [Pierrot, F. - A new design of a 6-DOF parallel robot, Journal of Robotics and Mechatronics 2/1990, str.308 – 315]. První komerční úspěch zaznamenaly stroje typu hexapod v roce 1994 na veletrhu IMTS v Chicagu. Jednalo se o stroje Octahedral Hexapod (Ingersoll), Variax (Giddings & Lewis) a G 1000 (Geodetic). Ze známých strojů s paralelní kinematikou lze jmenovat například Tricept HP1 (Neos Robotics + Comau), Tricept 605 „Hydro“ (Neos Robotícs), Horizontal Octahedral Hexapod HOH 600 (Ingersoll), Variax (Gidding & Lewis), G 1000 (Geodetic), Mikromat 6X (Mikromat + Fraunhofer IWU), Hexaglide (technická univerzita ETH Zürich), HexaM (Toyota), Triglide (Mikron), Linapod (ISW, technická univerzita Stuttgart), Hexact (IfW technická univerzita Stuttgart), Quickstep (Krause & Mauser), Georg V (IFM univerzita Hannover), Urane SX (Renault Automation), Tricept 805 (Neos Robotics), Paralix (ZFS/ifM), Tornado 2000 (Hexel), Kinematic SKM 400 (Heckert), TriCenter (Deckel Maho), Paralix (INA, ZFS), V 100 (Index); z rychlých manipulátorů s paralelní strukturou např. Flexpicker (ABB).
Paralelní kinematiky jsou řešeny ve dvou koncepcích: -
s pruty s proměnnou délkou
-
s pevnými pruty.
Obráběcí stroje s paralelní kinematikou Pro vysokorychlostní frézování se používají většinou paralelní kinematiky typu hexapod s pruty s proměnnou délkou a šesti stupni volnosti. Klouby v nichž jsou pruty uloženy musí mít dva až tři stupně volnosti a úhlový rozsah více než 100°. Lineární pohyb teleskopického prutu s předepnutým valivým uložením (změna jeho délky) je většinou proveden rotačním elektromotorem a kuličkovým nebo planetovým šroubem. Podstatnou nevýhodou takových pohonů jsou provozní otáčky šroubu v blízkosti kritických otáček a vývin ztrátového tepla, které snižuje předpětí matice-šroub a tím i přesnost polohování. Pro podstatné zvýšení rychlosti posuvů při vyšším zrychlení je nutné použít lineární elektropohony. Pro paralelní kinematiky jsou nabízeny průvlakové motory s rotujících maticí přímo spojenou s dutou kotvou. Tento typ pohonu nepotřebuje k přenosu kroutícího momentu další převody a má navíc malé rozměry. Změna délky prutů malých manipulátorů s menší dosahovanou přesností polohy může být provedena také přímo tekutinovým pohonem (natáčení zrcadel, manipulace s plechy, přídavné manipulátory strojů se sériovou strukturou apod.).
Obr. 3. - Obráběcí centra Horizontal Octahedral Hexapod (Ingresoll) a Mikromat 6X (Mikromat) s pruty s proměnnou délkou Technické parametry Hexapodů: -
otáčky pracovního vřetene až 40000 ot/min, výkon hnacího elektromotoru 7,5 - 52 kW
-
posuvové rychlosti do 40 m/min (rychloposuv do 100 m/min) při zrychlení 3 - 5 g (odpovídá vyvrtání 16 děr v převodovce automobilu za 5,8 s)
-
přesnost polohování břitu nástroje 0,01 až 0,005 mm
-
bezproblémové obrábění obrobků s hmotností až 1500 kg
-
zásobníky nástrojů s 20-ti až 50-ti nástroji s dobou trvání výměny nástroje 3,5 s
Hexapody se používají zejména pro HSC frézování forem, zápustek, leteckých dílů složitých tvarů z oceli, litiny, slitin hliníku a mědi; pro laserové technologie a montážní práce (např. montáž ložisek). Paralelní kinematiky strojů a manipulátorů typu Linapod (např. Hexaglide, Triaglide) mají pevné pruty v kombinaci např. s tzv. nůžkovými kinematikami (obr. 4).
Obr. 4. - Šestiosý stroj nebo manipulátor Linapod [ISW Stuttgart]
Pár pevných prutů je propojen klouby s lineárním pohonem. Pohyb v ose y je definován přibližováním nebo oddalováním prutů v ose x. Tento princip lze rozšířit do prostoru přidáním jednoho stupně volnosti v rotaci. Kombinací tří stejných prostorových nůžek lze vytvořit šestiosý stroj s pohony na třech sloupech vedení. Použití standardních lineárních elektropohonů a vedení je u Linapodu jednoduché, protože jsou umístěny na pevném rámu mimo prut. Pevný prut konstantní délky je spojen s plošinou (platformou) a s pohonem dvěma klouby s dvěmi nebo třemi stupni volnosti. Příkladem stroje s koncepcí Línapod je V 100 (Index) s rychloposuvem 50 m/min a s max. zrychlením 1g. Hlavní vřeteno má výkon 10,5 kW a max. otáčky 10000 ot./min. Roboty s paralelní kinematikou Komerčně nejúspěšnějšími roboty s paralelní kinematikou jsou roboty koncepce Tricept, které mají šest stupňů volnosti. Tripod s pruty s proměnou délkou a třemi stupni volnosti je doplněn kloubovou hlavicí. Znaky této koncepce je velký pracovní prostor při malé zástavné ploše a vysoká tuhost v ose z. Tato vlastnost je ceněna u montážních úkolů s velkými přítlačnými sílami. Tricepty mají pro svou jednoduchou mechanickou konstrukci bohužel nižší geometrickou přesnost. Tricept firmy SEF Roboter dosahuje max. rychlosti posuvů 20m/min s opakovatelnou přesností dosažení polohy ± 0,02 mm. Hlavními oblastmi použití robotů koncepce tricept jsou odstraňování otřepů, frézování, vrtání, obrábění dřeva, svařování a řezání vodním paprskem nebo laserem.
Obr. 5. - Manipulátor FlexPicker [ABB] a Tricept [SEF Roboter] Pro montážní a manipulační úlohy se používají roboty a manipulátory koncepce linapod (Hexaglide, Triaglide ad.) s pevnými pruty v prostorovém provedení. Určitou variantou Linapodu je rychlý manipulátor FlexPicker firmy ABB. Pevné pruty jsou zde poháněny rotačním motorem. Patrně se jedná o jeden z nejrychlejších průmyslových manipulátorů na světě. Tříosý model IRB 340 je schopen ve všech osách provést manipulační úkon s objektem o max. hmotnosti 1 kg rychlostí 10 m/s při zrychlení 10g s absolutní přesností ± 0,5 mm za dobu cyklu 0,4 s! Opakovatelná přesnost je přitom ± 0,05 mm! Čtyřosý model IRB 340r je doplněn osou natáčení s max. úhlovou rychlostí 3600°/s při max. zrychlení 1200 rad/s2 a max. moment 1 N.m. Pracovní prostor ve tvaru válce má výšku 250 mm a ø1130 mm.
3. Přehled sériově vyráběných průmyslových robotů a jejich aplikace Nejvíce průmyslových robotů se využívá v automobilovém průmyslu s podílem více než 70 % celosvětové výroby. Další významnou oblastí využití je paletizace (skladové hospodářství) a obsluha balících linek. Nejčastější operace průmyslových robotů jsou: -
manipulace s polotovary pro obrábění, tváření, lisování, svařování apod. broušení, leštění, odstraňování otřepů povlakování a lepení obecná manipulace s výrobky měření a zkoušení montáž paletizace řezání a svařování
V tomto přehledu budou uvedeny výrobky nejznámějších výrobců a sice firem ABB, Fanuc Robotics, Kuka, Mitsubishi, Motoman, Stäubli, Rexroth-Bosch, Kawasaki a SEF Roboter. Ve velké většině se jedná o pětiosé až šestiosé univerzální roboty, roboty s kinematikou Scara, roboty s paralelní kinematikou Delta a popř. portálové roboty. ABB Firma ABB je celosvětově největším výrobcem průmyslových robotů se 120.000 prodanými jednotkami. Nejpočetnější skupinu tvoří šestiosé roboty s nosností do 30 kg. Jsou to modely IRB 140, 1410, 1600 a IRB 2400 s nosností 5 kg a dosahem od 0,81 m do 1,5 m. Modely IRB 260, 4400 nebo 4450 S jsou určeny pro těžší objekty manipulace od 30 do 60 kg a dosahem 1,52 až 2,74 m. Do těžké váhové kategorie se řadí roboty IRB 6400RF, 660, 6600, 6620 s nosností 125 až 250 kg a dosahem 2,2 až 2,75 m. Model IRB 7600 dokáže manipulovat s objektem o hmotnosti 500 kg v rozsahu do 3,5 m.
Obr. 6. - Roboty ABB IRB 540, IRB 340 Flexpicker, IRB 5500 Flexpainter Například šestiosý robot IRB 540 s nosností 5 kg má 3 hlavní osy s rychlostí 112 °/s a rozsahem pro rotační osu z - 300°, rotační osu y - 145° a rotační osu y - 95°. Tři vedlejší rotační osy „wrist+bend“ s rozsahem 176° a rychlostí 360°/s a „turn“ v rozsahu 640 ° a rychlostí 700 °/s. V balících nebo montážních linkách se používají paralelní roboty IRB 340 Flexpicker se strukturou Delta a max. únosností 1 nebo 2 kg. Opakovatelnou přesnost polohy mají 0,1 mm
nebo 0,4 °, max. rychlost 10 m/s a max. zrychlení s nosností 1 kg až 10 g a s nosností 2 kg kolem 6 g!! Robot IRB 5500 je určen pro lakování automobilů se zrychlením 2,4 g a typickou rychlostí lakování 1,5 až 2 m/s. Fanuc Robotics Fanuc nabízí širokou paletu robotů pro téměř všechny aplikace. Například šestiosé roboty řady ACR Mate s max. nosností 20 kg a dosahem 1885 mm mají opakovatelnou přesnost ±0,08 mm, rychlost otáčení os od 150 do 520 °/s. Jsou určeny zejména pro obloukové sváření. Jiné roboty pro svařování a malé objekty manipulace s hmotností 5 kg série LR Mate mají opakovatelnou přesnost polohování ±0,04 mm a rychlosti 240 až 480 °/s.
Obr. 7 - Roboty Fanuc LR Mate 100, M 710iB a hexapod F-200iB Vyjma pěti- a šestiosých robotů v klasickém uspořádání s různou únosností Fanuc nabízí šestiosé roboty řady M s jedním posuvem a pěti rotacemi. Příkladem může být Fanuc M710iB s únosností 45 kg, dosahem 1706 mm a opakovatelnou přesností dosažení polohy ± 0,15 mm. Typické rychlosti rotačních os jsou 120 až 340°/s s rozsahem 260-720°. Tyto roboty se používají pro řezání, montáž, manipulaci s odlitky a výkovky, manipulaci s díly u vstřikovacích lisů apod. Hexapod s šesti stupni volnosti a maximální únosností 100 kg pod označením F-200iB se pohybuje v ose z rychlostí 300 mm/s a v osách x a y rychlostí 1500 mm/s při zachování opakovatelné přesnosti polohy ± 0,1 mm. Pro pohony se používají stejnosměrné servomotory. Oblastí použití jsou automatické šroubování, zvedání vozidel, svařování, manipulace s materiálem aj. KUKA Kuka je výrobcem číslo jedna v Evropě. Nabízí šestiosé roboty všech velikostí, paletizační roboty, portálové roboty, roboty z nerezu, teplotně odolné roboty, roboty Scara a svařovací roboty. Roboty jsou modulární koncepce vyznačující se snadnou změnu výrobního programu. Všechny roboty pracují s řídícím systémem na bázi PC (KR C), které spojuje všechny výhody PC-technologie, jako jsou diagnostika na dálku, rozhraní MS Windows, SPS, OPC a sběrnice Feldbus. V oblasti malých robotů nabízí Kuka modely KR 3 a KR 5 s šesti stupni volnosti s únosností 3 a 5 kg a přesností < ± 0,05 mm a < ± 0,02 mm. Maximální rychlost je 8,2 m/s a dosah 635 a 850 mm. Hmotnost malých robotů řady KR je přitom velmi nízká, jen 29 až 53 kg
Scara roboty KR 5 a KR 10 mají 4 stupně volnosti. Model KR 5 scara R350 s únosností 5 kg a zdvihem v ose z 200 /320 mm, dosahem 350 mm dosahuje vysoké přesnosti < ± 0,015 mm při max. rychlosti 7,2 m/s!!! Přitom má velmi malou základnu 150x150 mm a hmotnost jen 20 kg. Největší model KR 10 scara R850 má únosnost 10 kg, zdvih v ose z 300/400 mm, dosah 850 mm, přesnost < ± 0,025 mm při max. rychlosti 11 m/s. Hmotnost robotu je 50 kg.
Obr. 8. - Roboty Kuka KR 10 scara R850, Kuka KR 5, Kuka KR 16 a Kuka KR 150-2 Univerzální roboty se šesti stupni nabízí Kuka v provedeních s nosností 6-16 kg, 30-60 kg, 100-240 kg a 360-570 kg. V první kategorii může být dobrým představitelem např. KR 16, který je oblíbený v aplikacích pro automobilový průmysl. Jeho parametry jsou únosnost 16 kg, opakovatelná přesnost ± 0,1 mm, rozsah ± 185° až ± 350° při rychlostech 156 až 615 °/s, max. dosah 1610 mm. Pro pohon se používají bezkartáčové stejnosměrné elektromotory. Robot Kuka KR 150-2 má únosnost 150 kg při dosahu 2700 mm. Opakovatelná přesnost je ± 0,12 mm. Robot lze připevnit jak k podlaze, tak ke stropu. Paletizační robot se čtyřmi stupni volnosti KR 180 - 2 PA s únosností 180 kg je nabízen i v provedení pro prostory v mrazících halách s teplotou až -30°C. Pracuje s přesností ± 0,25 mm a max. rychlostmi v jednotlivých osách 105 až 300°/s. Rameno tohoto robota s délkou 1,6 m bylo vyrobeno z uhlíkového laminátu, čímž se povedlo snížit jeho hmotnost z 54 kg na 18,5 kg!! Robot je schopen zvednout paletu s nákladem až do výše 3,2 m.
Obr. 9. - Roboty Kuka KR 180 - 2 PA10, Kuka KR 60 jet
Pro aplikace měření a laserové svařování jsou určeny roboty řady HA (High Accuracy). Model KR 30 HA s nosností 30 kg má přesnost ± 0,1 mm při délce ramena 820 mm. Konzolové roboty se šesti stupni volnosti jsou určeny k montáži přímo na stroj, např. vstřikovací lis. Portálové roboty KR 30 jet a KR 60 jet mají 6 stupňů volnosti, kde jedna rotace je nahrazena posuvem po nosníku s délkou 1670 až 2070 mm. Robot lze upevnit také ke stropu. Např. KR 30 jet má přesnost ± 0,1 mm a v ose posuvu dosahuje max. rychlosti 3,2 m/s. Mitsubishi Automation Roboty pod označením MELFA společnosti Mitsubishi Automation patřící do koncernu Mitsubishi Electric jsou známé svojí spolehlivostí, rychlostí, přesností a kompaktním designem a patří mezi oblíbené malé japonské roboty.
Obr. 10. - Sférické roboty Melfa řady RV a robot Melfa Scara řady RH Sférické roboty Melfa řady RV s pěti nebo šesti stupni volnosti mají užitečné zatížení 1 až 12 kg s maximálním dosahem 1384 mm. Robot Melfa RV-3SB s šesti stupni volnosti a max. únosností 3 kg je schopen dosáhnout rychlosti 5500 mm/s !!!!! při dosahované opakované přesnosti ± 0,02 mm. Podobné parametry má pětiosý robot RV-3SJB s únosností 3 kg, max. rychlostí 5300 mm/s rovněž při přesnosti ± 0,02 mm. Roboty jsou vybaveny samostatnou brzdou pro každý kloub. Řídící jednotka obsahuje funkci řízení jemného posuvu Compliance Control pro jemnou manipulaci nebo funkci sledování posuvu dopravního pásu, kdy rameno synchronizuje svůj pohyb podle jeho aktuální rychlosti. Manipulaci s předmětem je možné realizovat jediným elektrickým chapadlem nebo až dvěma pneumatickými chapadly. Roboty Melfa RV se používají zejména pro manipulační operace jako je například osazování jemných elektrických součástek nebo pro manipulaci se vzorky ve zdravotnictví. Roboty Scara řady RH se čtyřmi stupni volnosti jsou určeny pro třídění, paletizaci a osazování součástek. Model RH - 5AH55 s maximální únosností 5 kg dosahuje max. rychlosti 5360 mm/s s přesností ± 0,02 mm. Přesné roboty řady RP mají velmi malou základnu s rozměry 200x160 mm a jsou schopny dosáhnout přesnosti ± 0,005 mm a pracovním cyklem „pick and place“ méně než 0,5 s!!! Motoman Japonský výrobce Motoman s mateřským koncernem Yaskawa je špičkou v oblasti robotů pro svařování v ochranné atmosféře a dokáže s roboty s nosností od 3 do 500 kg pokrýt celý trh. Vedle svařování se roboty Motoman využívají pro operace řezání vodním paprskem, laserem nebo plasmou.
Příkladem za všechny může být robot HP 6 s šesti stupni volnosti a maximální únosností 6 kg. Dosahované rychlosti os jsou v rozmezí od 180 do 520°/s při rozsahu od ± 170 až ± 360 ° při opakovatelné přesnosti dosažení polohy ± 0,08 mm. Stäubli Roboty Stäubli série RX a TX s šesti stupni volnosti mají převážně max. únosnost 1,7 – 60 kg s přesností ± 0,02 až ± 0,05 mm. Těžké roboty RX 260 a RX 270 mají únosnost 180 a 250 kg s opakovanou přesností ± 0,07 mm a ± 0,09 mm. Scara roboty série TX mají únosnost 5 kg a přesnost ± 0,025 mm. Švýcarský koncern Stäubli odkoupil technologii Scara od firmy Bosch Rexroth.
Obr. 11. - Roboty Stäubli Scara (původně TurboScara firmy Bosch Rexroth) a Stäubli řady RX Kawasaki Robotics Kawasaki nabízí zejména univerzální roboty s šesti stupni. Pro obloukové svařování například nabízí model FA006 N s únosností 6 kg a opakovatelnou přesností ± 0,05 mm. Řada Z je určena pro vyšší únosnost v rozmezí 130 až 300 kg s přesností ± 0,3 mm, model MX500 N je pro únosnost 500 kg s přesností ± 0,5 mm. Lakovací roboty KE 121 a KE 610 H mají rovněž šest stupňů volnosti a opakovatelnost dosažení polohy od ± 0,02 až ± 1 mm. SEF Německá firma SEF se proslavila svým robotem s kinematikou Tricept IRB 340. V současnosti nabízí tři typy šestiosých robotů SR 30, 45 a SR 60 s únosností 30, 45 a 60 kg s přesností ± 0,1 mm u SR 30 a ± 0,2 mm u modelů SR 45 a SR 60.
4. Servisní roboty Mezi servisní roboty lze zařadit roboty pro domácnost a zemědělství (např. roboty na čištění podlahy AutoCleaner, hlídací roboty Mosro nebo domácí servisní robot Care-Orobot), roboty na čištění oken skleněných fasád budov (např. robot FhG), inspekční roboty pro prohlížení kanalizační sítě (např. Theseus), podvodní roboty (např. Turtle pro průzkum mořského dna), vesmírné roboty (např. DLR LRW nebo Snakebot), roboty operatéry v medicíně (RoMed) a nakonec i humanoidy, tedy napodobeniny člověka (např. Pino) Hyperredundantní manipulátory [OCRobotics] Redundantní manipulátor má sedm stupňů volnosti a více, přičemž k orientování předmětu v prostoru stačí jen šest. Robotům s rameny podobnými sloním chobotům nebo hadům se někdy říká heperredundantní roboty. Firma OCRobotics nabízí ramena délky 1 m, které se skládá s pěti dutých segmentů s vnějším průměrem 35 mm a s vnitřním pracovním prostorem o průměru 15 mm. Míra zaoblení a rovina křivosti pohybové křivky každého segmentu jsou nezávisle řízeny mnoha ovladači připojenými ocelovými strunami a vedenými pracovním prostorem. Ze segmentů lze sestavovat ramena pro inspekční úlohy (vyhledávání bomby pod automobilem, kontrola nedostupných prostor např. vnitřku nádrže letadla apod.). Například manipulátor s ramenem s délkou 10 m, složeným z osmi segmentů je schopen sledovat křivku opisující úhel 720°.
Obr. 12. - Elastické robotické manipulátory OCRobotics RoMed [FhG] Robot RoMed pomáhá při operacích zpevnit páteř v oblasti kříže šrouby (obr. 1.9). Dle literatury dochází až v 25% všech klasických operací k špatnému umístění šroubů a tím k narušení nervových drah. Velmi přesný RoMed toto riziko snižuje, protože polohu páteře rychle určuje ultrazvukem (až 25 snímky za minutu) a takto získaná data transformuje do „viditelných“ dat počítačové tomografie CT. RoMed je proto schopen pomalu a přesně vést chirurgické nástroje a umístit šrouby s přesností 0,1 mm. S takovou přesností je pravděpodobnost zasažení nervových drah výrazně nižší. V budoucnosti se uvažuje o podobném robotu pro komplikovanější operace v oblasti krční páteře.
Roboty DLR Light Weight Robot LWR I - III [DLR Oberpfaffenhofen] Výzkumný ústav robotiky a mechatroniky německého centra pro letectví a kosmonautiku DLR v Oberpfaffenhofenu u Mnichova vyvinulo v posledních letech tři generace lehkých robotů LWR I-III s regulací kroutícího momentu a redundantní kinematikou se sedmi stupni volnosti jako má lidská paže. U všech LWR robotů se povedlo integrovat řízení, snímače a pohony do jejich struktury. Robot LWR I Podnětem pro vývoj robotu LWR I byla úspěšná mise ROTEX v roce 1993, kdy se ústavu robotiky a mechatroniky DLR povedlo poprvé řídit vesmírný robot ze země. Systém ROTEX dopravil do laboratoře Spacelab D2 kosmické stanice ISS raketoplán Columbia v dubnu 1993. Robot vyvinutý firmou Dornier pro účel pokusu nebyl schopen v pozemských podmínkách zvednout stejně těžké těleso jako je jeho vlastní hmotnost. Pro trénování astronautů by byl vhodnější lehký pružný robot a tak se zrodila myšlenka lehkých robotů s hlavním dlouhodobým cílem redukovat poměr nosnost/vlastní hmotnost na 1:1. Robot LWR I vznikal v letech 1992 až 1995, má sedm stupňů volnosti, celkovou hmotnost 14,5 kg, nosnost 7 kg a max. délku rozvinutí 1338 mm. Do všech kloubů byly integrovány snímače kroutícího momentů, které umožňují dokonalé řízení ramena s programovatelnou poddajností. Rameno je tím chráněno např. před nechtěnou kolizí. Také řídící elektronika byla zabudována do struktury robotu. Byla použita odlehčená DLR planetová převodovka s převodem 1:600.
Obr. 13. - Robot LWR I a LWR III [DLR Oberpfaffenhofen] Robot LWR II Na konci roku 1999 byl dokončen LWR druhé generace s odlehčenými pohony a harmonickými převodovkami s úsporou hmotnosti 60%. Při plné rychlosti 187°/s je schopen manipulovat s nákladem o max. hmotnosti 7 kg, přičemž jeho vlastní hmotnost včetně integrované elektroniky je jen 18 kg. Max. délka rozvinutí je 1024 mm. Byly použity bezkartáčové stejnosměrné elektropohony firmy Kollmorgen s napájením 48 V a poprvé také odlehčené hliníkové harmonické převodovky Harmonic Drive s převodem 1:160 a odlehčené elektromagnetické brzdy firmy Mayr. Robot LWR III V roce 2002 přichází poslední generace LWR III s modulární strukturou, který je při své vlastní hmotnosti jen 13,5 kg schopen manipulovat s nákladem s hmotností do 15 kg. Cíl vývoje z devadesátých let, tedy poměr nosnost/vlastní hmotnost 1:1, byl splněn. DLR vyvinula pro tento robot nový bezkartáčový stejnosměrný motor ROBODRIVE s integrovanou odlehčenou brzdou a měničem. Optimalizovaná harmonická převodovka Harmonic Drive má převod 1:160. Hmotnost motoru byla snížena na 400 g při zachování rozsahu otáček a s 50% snížením ztrátového výkonu. Piezoelektrická brzda má hmotnost jen 30 g oproti původní brzdě s hmotností 300 g! Max. délka rozvinutí robotu je 1200 mm a max. rychlost v kloubech 180°/s. Také energetická spotřeba robotu je velmi nízká a odpovídá příkonu jedné silné žárovky. Lehké skořepinové segmenty ramena s hmotností 100-200 g jsou vyrobeny z uhlíkového laminátu. DLR ruka I-II S lehkými roboty souvisí i doplňkový vývoj chapadel s funkcí umělé ruky. Imitace lidské ruky patří k nejobtížnějším úkolům robotiky. V prototypu čtyřprsté ruky DLR první generace z konce roku 1998 (pátý prst není zcela nezbytný) byl použit celosvětově patentovaný „DLR-umělý sval“ složený z miniaturních motorů, malého vřetena a tažných lanek s funkcí „šlach“. Poprvé se povedlo integrovat všech 12 pohonů včetně řízení do malého prostoru dlaně resp. zápěstí. Malé optické snímače úhlové polohy kloubu a snímače kroutícího momentu dovolují nezávisle řídit polohu a sílu každého prstu. Zároveň je možné zadat celé ruce téměř libovolnou tuhost ve volitelných směrech v prostoru. DLR ruka I složená z přibližně 1000 mechanických a 1500 elektronických součástek patří k nejkomplexnějším robotickým rukám vůbec.
Obr. 14. - DLR ruka první a druhé generace Při vývoji umělé ruky druhé generace (poprvé představena na konci roku 2000) byl z důvodů nižší spolehlivosti a obtížné údržby nahrazen lankový pohon miniaturními ozubenými řemeny, harmonickými převodovkami a v kořenech prstů miniaturními diferenciálními převodovkami s kuželovými koly. Povedlo se přitom zlepšit bezpečné uchopení objektů tzv. power grasp. Stisk jednoho prstu odpovídá úctyhodné síle 30 N. S vyšším stupněm digitalizace a optickým sběrnicovým systémem se navíc povedlo snížit počet kabelů pro připojení k řídícímu systému. Jestliže u ruky první generace bylo vyvedeno 400 kabelů, u nové ruky je jich jen dvanáct. Kompletní DLR ruka II váží 1800 g a jeden její prst 375 g. Ruka má celkem třináct stupňů volnosti s max. rychlostí otáčení každého kloubu 360°/s. Byly použity bezkartáčové stejnosměrné motory s 6000 min-1 a s 17000 min-1. Harmonické převodovky mají stejný převod pro všechny klouby 100:1, kroutící moment 1,8 N.m a 6000 min-1. V jednom prstu je zabudováno celkem 16 snímačů. Nosná skořepina prstů je vyrobena ze vstřikovaného plastu.
