Ruimtevereisten optimaliseren voor micro-automatisering zes-as robots

Hoeveel ruimte heeft u nodig voor een micro-automatisering zes-as robot?

Als u een micro-automatisering zes-as robotarm wilt gebruiken, zoals de Mecademic Meca500 in deze tutorial, bent u waarschijnlijk geïnteresseerd in het positioneren en oriënteren van het gereedschap (end-effector) op diverse locaties. U wilt dan weten welke locaties bereikbaar zijn met een specifieke end-effector op een specifieke zes-as robotarm. U vraagt waarschijnlijk een diagram van het "werkgebied," "werkvolume," "werkhulsel," of "werkbereik." Helaas krijgt u vaak een simplistisch diagram zoals hier getoond, of erger: de sogenannte reikwijdte van de robot.

In robotica is de correcte term voor wat u zoekt werkruimte (workspace). De reikwijdte is niets anders dan de maximale afstand tussen het polencentrum van de robot (snijpunt van deassen van de laatste drie gewichten) en de as van gewicht 1. Het grijze gebied in de figuur is het bereikbare gebied door het polencentrum, voor een gegeven rotatie van gewicht 1. Dit gebied, of het volume gevormd door rotatie eromheen, is NIET de werkruimte. Er is geen garantie dat u een positie in dit volume kunt bereiken met de punt van een bepaalde end-effector, laat staan met elke orientatie. Als u een relatief lange end-effector monteert, kunt u geen enkele positie uit dit volume bereiken met de punt van uw gereedschap.

De werkruimte van een micro-automatisering zes-as robot is de verzameling van alle poses (posities en orientaties) bereikbaar door een bepaalde end-effector op die robot. Dus: (1) niemand kan u vertellen wat de werkruimte is van een specifieke zes-as robotarm, tenzij u specificeert welke end-effector u wilt gebruiken, en (2) die werkruimte is een zes-dimensionale entiteit die doorgaans niet grafisch te representeren is.

Natuurlijk zijn er uitzonderingen in robotica voor grafische representatie. De werkruimte van een zes-as Cartesiaanse robot (zoals hieronder getoond) is triviaal te beschrijven maar alleen voor één specifieke keuze van toolpunt. Als het toolpunt van de end-effector samenvalt met het snijpunt van deassen van de drie draaigewichten, kan deze micro-automatisering zes-as robot zijn toolpunt overal in de gele kubus positioneren, met absolute elke tooloriëntatie.

Helaas zijn de meeste zes-as industriële robots niet Cartesiaans, om praktische redenen. Bijvoorbeeld: de bovenstaande Cartesiaanse robot heeft een heel kleine werkruimte voor positionering. De typische zes-as robotarm, vaak bizar "verticaal gearticuleerde robot" genoemd, bestaat uit zeven schakels (lichamen), in serie verbonden via zes aangedreven draaigewichten. De eerste is de basis, de laatste de flens (ook mechanisch interface). As van gewicht 1 is verticaal, assen 2 en 3 horizontaal, as 4 normaal op as 3, assen van laatste drie gewichten snijden zich typisch in één punt.
Hoewel industriële robotarmen doorgaans zonder tooling verkocht worden, wordt een end-effector (gripper, tastvoeler) uiteindelijk aan de flens bevestigd. De gebruiker moet dan een gereedschapsreferentiekader koppelen, vast aan deze end-effector. Dit kader is gedefinieerd ten opzichte van het flensreferentiekader. De oorsprong heet TCP (tool center point). U moet geïnteresseerd zijn in de set poses ten opzichte van het basiskader van de robot, waar de robot een specifiek gereedschapsreferentiekader kan brengen. De werkruimte is dus de set poses bereikbaar door het gereedschapsreferentiekader van de robot.

In een typische micro-automatisering zes-as robotarm (zoals onze Meca500), wat de end-effector ook is, is voor elke haalbare TCP-positie het bereik van bereikbare tooloriëntaties volledig verschillend, door mechanische interferentie, gewichtslimieten, schakellengtebeperkingen. Bovenop deze sterke koppeling tussen positionerings- en oriënteringsmogelijkheden, hebben deze robots singulariteiten. In een singulariteit kan de robot niet in bepaalde richtingen bewegen. Dit is een fysieke blokkade, geen wiskundig probleem, en ALLE micro-automatisering zes-as robotarmen (inclusief de Cartesiaanse) hebben singulariteiten. Voorbeeld: alle gewichten Meca500 op 0° (linker figuur) → end-effector kan niet bewegen langs lijn parallel aan basis y-as (groen). Om die lijn te volgen, moeten gewichten 4 en 6 ±90° draaien (tegenovergestelde richtingen).

Singulariteiten zijn een belangrijk fenomeen (eher: hinder) in robotica – apart tutorial. Hier volstaat: zelfs als een pad in de werkruimte ligt, kan het gereedschapsreferentiekader het niet continu volgen (zonder pauzes in TCP-beweging) door singulariteiten.
Dus singulariteiten beperken de bruikbare delen van de werkruimte verder. De werkruimte van een typische micro-automatisering zes-as robotarm is de combinatie van meerdere singulariteitsvrije werkruimte-subsets, gescheiden door singulariteiten. De robot kan overal in de totale werkruimte bewegen in joint-modus, maar alleen in één singulariteitsvrije subset in Cartesiaanse modus (TCP volgt specifiek pad continu).

Elke singulariteitsvrije subset correspondeert met een specifieke robotconfiguratie. Dit wordt behandeld in de komende tutorial over singulariteiten. Voor nu: als een gegeven pose onbereikbaar lijkt met de huidige configuratie, kan het bereikbaar zijn met een andere. Voorbeeld: de toolreferentiekader-pose in de figuur kan alleen in één van de acht robotconfiguraties bereikt worden. Een veelgemaakte fout: alleen één subset overwegen in plaats van de totale werkruimte (alleen één van de acht configuratiemodi). Als u een pose specificeert met x,y,z coördinaten en Euler-hoeken en MovePose gebruikt, vindt de robot automatisch de beste configuratie. Helaas leren gebruikers robotposities meestal via joggen, niet via pose-specificatie.

Vaak heeft een gebruiker al een set end-effector poses voor de toepassing. Bijv: werkstuk van band nemen, voor camera presenteren in diverse oriëntaties, op andere band plaatsen. Optimale plaatsing camera, installatie gripper, ontwerp vingers = niet triviaal. Helaas: geen commercieel beschikbare automatische procedure voor optimale celontwerp – enige methode: trial and error.
Gelukkig: u hebt geen echte opstelling nodig; simulatiesoftware als RoboDK gebruiken. Toch robotica-skills nodig, anders veel inspanning aan trial-and-error. Hier volgen tien richtlijnen voor optimaal gebruik van uw robotwerkruimte. Hoewel we Meca500 als voorbeeld gebruiken, gelden ze voor elke typische micro-automatisering zes-as robotarm.

Richtlijn 1: Plaats uw TCP zo dicht mogelijk bij de robotflens
Bij inspectie: deel presenteren voor camera met grote oriëntatiereikwijdte. Eerst regel: toolreferentiekader zo dicht mogelijk bij flensreferentiekader. Ontwerp grijpsysteem dat het te inspecteren deel zo dicht mogelijk bij de flens grijpt.
We leveren optionele elektrische gripper met adaptorplaat voor montage zoals getoond. Voor sommige toepassingen beter: eigen adaptorplaat om gripper te monteren zodat vingers en as van gewicht 6 in één vlak liggen, of gripper langs as van gewicht 6. Alternatief: L-vormige vingers.

Richtlijn 2: Beweeg niet in Cartesiaanse modus tenzij een pad volgen
Bij inspectie: deel in verschillende oriëntaties roteren. Gemakkelijker: MoveLinRelTRF of joggen in Cartesiaanse modus. Beiden mislukken als singulariteit langs rotatie aanwezig is (voorbeeld: as 4 en 6 worden uitgelijnd). Dus: leer Euler-hoeken gebruiken en MovePose commando. Of RoboDK – simulator mag singulariteiten passeren in Cartesiaanse jog-modus. Ongeacht singulariteiten: altijd MovePose of MoveJoints commando's gebruiken tenzij TCP specifiek pad moet volgen. Deze commando's leiden doorgaans tot snelste cyclus tijden.

Richtlijn 3: Als kabeling gewicht 6 te veel beperkt, lijn assen van gewichten 1, 4 en 6 uit
Hoewel gewicht 6 mechanisch onbeperkt is, beperkt end-effector met kabeling (zoals onze gripper) bereik tot ~±180° of minder. Meer bereik nodig? Lijn assen van gewichten 4 en 6 uit, of zelfs 1, 4 en 6. Dergelijke configuratie is singular → MoveJoints commando nodig om om deze samenvallende assen te draaien.

Richtlijn 4: Als end-effector met kabeling, houd gewicht 6 zo dicht mogelijk bij 0 graden
Indien mogelijk, bij gewenste probeer gewicht 6 zo dicht bij 0° te houden. Bijvoorbeeld: werkstuk grijpen waar gewicht 6 op 170° staat, dan MovePose → gewicht 6 zal waarschijnlijk veel draaien. Als nieuwe pose gewicht 6 op 190° zou zijn, roteert robot laatste gewicht 340° negatief (ipv 20° positief).

Richtlijn 5: Als u veel moet oriënteren, positioneer TCP op as van gewicht 1
Brede oriëntatiereikwijdte nodig? Positioneer TCP op as van gewicht 1. Configuratie toestaat ±175° rotatie om as 1 en ±180° om as 6. Verder het polencentrum van gewicht 1, minder oriënteringsmogelijkheden.

Richtlijn 6: Probeer alle robotconfiguraties
Soms te dicht bij singulariteit in een of meer doelposes. Bij inspectie: geen probleem. Maar als pick/place: moet aankomen/vertrekken in lineaire modus. Test alle configuraties, kies die verst van singulariteiten. Voorbeeld: linker configuratie te dicht bij singulariteit (assen 4 en 6 bijna uitgelijnd), rechter voldoende ver.

Richtlijn 7: Overweeg meer dan alleen bereikbaarheid
Werkruimte = meerdere subsets gescheiden door singulariteiten. Niet alle bereikbare poses even "goed." Werkruimte heterogeen in prestaties: snelheid, precisie. Ver van singulariteiten bij Cartesiaanse beweging. Hoe meer uitgerekt robotarm, minder precisie (flexibeler), langer duurt trillingen dempen aan toolpunt.

Richtlijn 8: Beneficieer van robotredundantie als u niet 6 vrijheidsgraden nodig hebt
Vaak alleen 5 vrijheidsgraden nodig. Bijv: lijmpistool of spindel – oriëntatie om as naald/schijf niet relevant. Inspectie met axisymmetrische sensor (camera): werkstuk presenteren in elke rotatie om sensoras. In dergelijke gevallen: as gewicht 6 NIET uitlijnen met symmetrie-as van tool/sensor, kies beste van oneindig veel robotposities per pose. Best = ver van singulariteiten, maar ook dichtst bij voorgaande/opvolgende poses.

Richtlijn 9: Monteer robot rechtop, tenzij absoluut noodzakelijk
Als meeste industriële robots, kan Meca500 in elke oriëntatie gemonteerd worden (omgekeerd, op muur). Enig probleem niet-rechtop: heel stevige bevestiging nodig → cel lastiger/duurder. Kies niet-rechtop pas na rechtop geprobeerd te hebben.

Richtlijn 10: Zeven keer meten, één keer snijden
Engels gezegde: "Meet tweemaal, snij eenmaal," maar voor robotceldesign: Russische versie "Zeven keer meten, één keer snijden." Complexe cel of beperkte werkruimte? Gebruik simulatiesoftware, veel ontwerpiteraties tot bevredigende oplossing. Maar niet volledig op simulatie vertrouwen. Generieke simulator (RoboDK) simuleert niet exacte robotgedrag. Specifieke lineaire beweging mogelijk in RoboDK, onmogelijk op echte robot door singulariteiten. Test ook op echte robot.
Conclusie: tenzij toepassing alleen weinig herhalende bewegingen omvat, moet u de werkruimte van uw robot volledig begrijpen en veel tijd besteden aan celdesign. Robotceldesign = niet alleen alle bewegingen kunnen uitvoeren, maar ook cyceltijd en andere prestaties (precisie, energieverbruik) optimaliseren.