ปัจจัยสำคัญที่ใช้ในการจำแนกหุ่นยนต์อุตสาหกรรมคืออะไร ?

หุ่นยนต์อุตสาหกรรมหลายล้านตัวใช้งานอยู่ในโรงงานอุตสาหกรรม 4.0 ทั่วโลก ใช้เพื่อเพิ่มอัตราการผลิต ปรับปรุงคุณภาพ ลดต้นทุน และสนับสนุนการดำเนินงานที่ยืดหยุ่นและยั่งยืนมากขึ้น เนื่องจากความสำคัญของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม International Organization for Standardization (ISO) จึงได้พัฒนามาตรฐาน 8373:2021 คำศัพท์ด้านวิทยาการหุ่นยนต์ เพื่อกำหนดคำศัพท์ที่ใช้ในวิทยาการหุ่นยนต์และจัดให้มีภาษากลางสำหรับการอภิปรายเกี่ยวกับหุ่นยนต์หลายประเภทรวมถึงการประยุกต์ใช้งาน

International Federation of Robots (IFR) ใช้คำสำคัญที่กำหนดใน ISO 8373:2021 เพื่อระบุการจำแนกประเภทหุ่นยนต์ 6 ประเภทตามโครงสร้างทางกล ได้แก่:

• Articulated
• Cartesian
• Cylindrical
• Parallel/Delta
• Polar
• SCARA

บทความนี้จะกล่าวถึง ISO 8373:2021 โดยพิจารณาคำศัพท์สำคัญสี่คำในการจำแนกหุ่นยนต์ โดยมุ่งเน้นไปที่ความจำเป็นในการเขียนโปรแกรมซ้ำ รวมถึงประเภทและจำนวนของข้อต่อหุ่นยนต์ที่ IFR ใช้ในการพัฒนาการจำแนกประเภทหุ่นยนต์ จากนั้นจะเจาะลึกรายละเอียดและความแตกต่างของประเภทหุ่นยนต์แต่ละประเภท และนำเสนอหุ่นยนต์ที่เป็นแบบอย่างจากผู้ผลิตหลายราย โดยจะยังพิจารณาระบบการจำแนกหุ่นยนต์ที่ไม่ตรงตามข้อกำหนด ISO ทั้งหมดด้วย

ISO 8373:2021 ให้นิยามหุ่นยนต์อุตสาหกรรมว่าเป็น "เครื่องจักรที่มีการควบคุมอัตโนมัติ อเนกประสงค์ และตั้งโปรแกรมใหม่ได้ โดยสามารถตั้งโปรแกรมได้ในสามแกนขึ้นไป ซึ่งสามารถยึดอยู่กับที่หรือยึดกับแพลตฟอร์มเคลื่อนที่เพื่อใช้ในการใช้งานระบบอัตโนมัติในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม"

ความสามารถในการตั้งโปรแกรมใหม่ได้คือสิ่งที่สร้างความแตกต่างที่สำคัญ เครื่องจักรอุตสาหกรรมบางประเภทอาจมีอุปกรณ์ควบคุมและเคลื่อนที่ได้หลายแกน ซึ่งสามารถจัดการงานเฉพาะ เช่น หยิบขวดบนสายบรรจุเครื่องดื่มและวางลงในกล่อง แต่นั่นไม่ใช่หุ่นยนต์ หากถูกสร้างมาเพื่อจุดประสงค์เดียวนั้นโดยเฉพาะและไม่สามารถตั้งโปรแกรมใหม่ได้ "การตั้งโปรแกรมใหม่ได้" ถูกกำหนดไว้ใน ISO 8373 ว่า "ได้รับการออกแบบเพื่อให้การเคลื่อนไหวที่ตั้งโปรแกรมไว้หรือฟังก์ชันเสริมอาจเปลี่ยนแปลงได้โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ"

ประเภทและจำนวนของข้อต่อหุ่นยนต์

ISO 8373 กำหนดข้อต่อหุ่นยนต์สองประเภท:

• ข้อต่อแบบเลื่อนคือการประกอบระหว่างสองจุดเชื่อมต่อที่ช่วยให้จุดหนึ่งมีการเคลื่อนที่เชิงเส้นสัมพันธ์กับอีกจุดหนึ่ง
• ข้อต่อแบบหมุนคือชุดประกอบที่เชื่อมต่อสองจุดเชื่อมต่อที่ช่วยให้ตัวหนึ่งสามารถหมุนโดยสัมพันธ์กับอีกตัวหนึ่งที่มีแกนคงที่

IFR ได้ใช้คำจำกัดความเหล่านี้และคำจำกัดความอื่นๆ ของ ISO 8373 เพื่อระบุการจำแนกประเภทหุ่นยนต์อุตสาหกรรมหกประเภทตามโครงสร้างทางกลหรือโทโพโลยี นอกจากนี้ โทโพโลยีหุ่นยนต์ที่แตกต่างกันมีจำนวนแกนที่แตกต่างกัน ดังนั้นจำนวนข้อต่อจึงมีความแตกต่างกัน

จำนวนแกนเป็นลักษณะสำคัญของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม จำนวนแกนและประเภทของแกนจะกำหนดระยะการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ แต่ละแกนแสดงถึงการเคลื่อนไหวที่เป็นอิสระหรือมีระดับความเป็นอิสระ ระดับความเป็นอิสระที่มากขึ้นส่งผลให้หุ่นยนต์สามารถเคลื่อนที่ผ่านพื้นที่ขนาดใหญ่และซับซ้อนได้มากขึ้น หุ่นยนต์บางประเภทมีระดับความเป็นอิสระคงที่ ในขณะที่ประเภทอื่นๆ อาจมีระดับความเป็นอิสระต่างกัน

อุปกรณ์ปลายแขน (End Effector) หรือที่เรียกว่า End-of-Arm Tooling (EOAT) หรือ "เครื่องจักรควบคุมอเนกประสงค์" ใน ISO 8373 เป็นอีกหนึ่งองค์ประกอบที่สำคัญในหุ่นยนต์ส่วนใหญ่ มีอุปกรณ์ปลายแขนหลายประเภท รวมถึงมือจับ เครื่องมือในกระบวนการผลิตโดยเฉพาะ เช่น ไขควง เครื่องพ่นสี หรือเครื่องเชื่อม และเซ็นเซอร์ รวมถึงกล้องด้วย อาจเป็นแบบนิวแมติก ไฟฟ้า หรือไฮดรอลิก อุปกรณ์ปลายแขนบางแบบสามารถหมุนได้ ทำให้หุ่นยนต์มีระดับความเป็นอิสระเพิ่มขึ้นอีกหนึ่งระดับ

ส่วนต่อไปนี้จะเริ่มต้นด้วยคำจำกัดความของ IFR สำหรับโทโพโลยีหุ่นยนต์แต่ละแบบ จากนั้นกล่าวถึงความสามารถและการใช้งาน

หุ่นยนต์ Articulated มีข้อต่อแบบหมุนสามข้อขึ้นไป

นี่คือประเภทหุ่นยนต์ที่มีหุ่นยนต์จำนวนมาก หุ่นยนต์ Articulated สามารถมีแกนได้สิบแกนขึ้นไป โดยหกแกนเป็นแกนที่พบบ่อยที่สุด หุ่นยนต์หกแกนสามารถเคลื่อนที่ในระนาบ x, y และ z รวมถึงการหมุนแบบ Pitch, Yaw และ Roll ทำให้หุ่นยนต์สามารถเลียนแบบการเคลื่อนไหวของแขนมนุษย์ได้

นอกจากนี้ ยังมีน้ำหนักบรรทุกที่หลากหลายตั้งแต่ต่ำกว่า 1 กก. ไปจนถึงมากกว่า 200 กก. ความสามารถในการเข้าถึงของหุ่นยนต์เหล่านี้ยังแตกต่างกันอย่างมากตั้งแต่ต่ำกว่า 1 เมตรไปจนถึงหลายเมตร ตัวอย่างเช่น KR 10 R1100-2 จาก KUKA เป็นหุ่นยนต์ Articulated หกแกนที่มีระยะยืดสูงสุด 1,101 มม. น้ำหนักบรรทุกสูงสุด 10.9 กก. และความสามารถในการทำซ้ำของท่าทาง ±0.02 มม. (รูปที่ 1) นอกจากนี้ยังมีการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง รอบเวลาสั้น และระบบจ่ายพลังงานในตัว

รูปที่ 1: หุ่นยนต์ Articulated แบบหกแกนที่มีความสามารถในการทำซ้ำของท่าทางที่ ±0.02 มม. (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

หุ่นยนต์ Articulated สามารถติดตั้งถาวรบนพื้น ผนัง หรือเพดานได้ นอกจากนี้ยังสามารถติดตั้งบนรางบนพื้นหรือเหนือศีรษะ บนหุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติหรือแพลตฟอร์มแบบเคลื่อนย้ายได้อื่นๆ และเคลื่อนย้ายระหว่างเวิร์กสเตชันได้

ใช้สำหรับงานต่างๆ รวมถึงการจัดการวัสดุ การเชื่อม การทาสี และการตรวจสอบ โดยหุ่นยนต์ Articulated เป็นโทโพโลยีที่พบบ่อยที่สุดสำหรับหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน (โคบอท) ที่ออกแบบมาเพื่อทำงานร่วมกับมนุษย์ ในขณะที่หุ่นยนต์ทั่วไปทำงานในกรงนิรภัยที่มีแผงกั้นเพื่อความปลอดภัย โคบอทได้รับการออกแบบมาให้มีปฏิสัมพันธ์ใกล้ชิดกับผู้คน ตัวอย่างเช่น โคบอท LXMRL12S0000 จาก Schneider Electric มีระยะยืดสูงสุด 1,327 มม. น้ำหนักบรรทุกสูงสุด 12 กก. และความสามารถในการทำซ้ำในท่า ±0.03 มม. โคบอทมักมีระบบป้องกันการชน ขอบโค้งมน ขีดจำกัดแรง และน้ำหนักที่เบากว่าเพื่อเพิ่มความปลอดภัย

หุ่นยนต์ Cartesian (บางครั้งเรียกว่าหุ่นยนต์สี่เหลี่ยม หุ่นยนต์เชิงเส้น หรือหุ่นยนต์โครงสำหรับตั้งสิ่งของ) มีหุ่นยนต์ที่มีข้อต่อแบบเลื่อน 3 ชิ้น ซึ่งมีแกนประกอบกันเป็นระบบพิกัดคาร์ทีเซียน

หุ่นยนต์ Cartesian ดัดแปลงมีข้อต่อแบบเลื่อนสองอัน อย่างไรก็ตาม หุ่นยนต์เหล่านี้ไม่เป็นไปตามข้อกำหนด ISO 8373 ที่ว่าจะต้อง "สามารถตั้งโปรแกรมได้ในสามแกนขึ้นไป" ดังนั้นในทางเทคนิคแล้วหุ่นยนต์นี้จึงไม่ถือว่าเป็นหุ่นยนต์

มีวิธีในการกำหนดค่าข้อต่อแบบเลื่อนสามแบบมากกว่าหนึ่งวิธี และดังนั้นจึงมีมากกว่าหนึ่งวิธีในการกำหนดค่าหุ่นยนต์ Cartesian ในโทโพโลยีคาร์ทีเซียนพื้นฐาน ข้อต่อทั้งสามนั้นอยู่ในมุมฉาก โดยข้อต่อหนึ่งเคลื่อนที่ในแกน x ติดอยู่กับข้อต่อที่สองเคลื่อนที่ในแกน y และแนบกับข้อต่อที่สามเคลื่อนที่ในแกน z

แม้ว่าจะคล้ายคลึงกับหุ่นยนต์ Cartesian แต่โทโพโลยี Gantry นั้นแตกต่างกัน หุ่นยนต์ Gantry สนับสนุนการเคลื่อนที่เชิงเส้นในพื้นที่สามมิติ เช่นเดียวกับหุ่นยนต์ Cartesian พื้นฐาน แต่หุ่นยนต์ Gantry ได้รับการกำหนดค่าด้วยรางฐาน x สองราง รางแกน y ที่รองรับซึ่งครอบคลุมแกน x สองแกน และแกน z แบบคานยื่นที่ติดอยู่กับแกน y ตัวอย่างเช่น DLE-RG-0012-AC-800-800-500 จาก Igus เป็นหุ่นยนต์ Gantry ที่มีพื้นที่ทำงาน 800 มม. x 800 มม. x 500 มม. สามารถรับน้ำหนักได้มากถึง 5 กก. และเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงสุด 1.0 ม./วินาที โดยมีความสามารถในการทำซ้ำ ±0.5 มม. (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: หุ่นยนต์ Gantry ที่มีพื้นที่ทำงาน 800 มม. x 800 มม. x 500 มม. (แหล่งที่มาภาพ: Igus)

หุ่นยนต์ Cylindrical มีเครื่องกลที่มีข้อต่อแบบหมุนอย่างน้อยหนึ่งข้อต่อและข้อต่อแบบเลื่อนอย่างน้อยหนึ่งข้อต่อ ซึ่งมีแกนประกอบกันเป็นระบบพิกัดทรงกระบอก

หุ่นยนต์ Cylindrical ค่อนข้างเรียบง่ายและกะทัดรัด และระยะการเคลื่อนไหวที่จำกัดทำให้ง่ายต่อการตั้งโปรแกรม ซึ่งพบได้น้อยกว่าหุุ่นยนต์แบบอื่นที่ซับซ้อนกว่า อย่างไรก็ตาม หุ่นยนต์ประเภทนี้ยังเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน เช่น กระบวนการเจียร การวางบนพาเลท การเชื่อม (โดยเฉพาะการเชื่อมแบบจุด) และการขนถ่ายวัสดุ ตัวอย่างเช่น การขนถ่ายเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ลงในคาสเซ็ตในการดำเนินการผลิตวงจรรวม (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: หุ่นยนต์ทรงกระบอกนี้มีข้อต่อแบบหมุนและแบบเลื่อนอย่างละหนึ่งอัน (แหล่งที่มาภาพ: Association for Advancing Automation)

โดยทั่วไปหุ่นยนต์ Cylindrical จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 1 ถึง 10 m/s และสามารถออกแบบให้รับน้ำหนักมากได้ การใช้งานสำหรับหุ่นยนต์ Cylindrical สามารถพบได้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ ยา อาหารและเครื่องดื่ม การบินและอวกาศ อิเล็กทรอนิกส์ และอุตสาหกรรมอื่นๆ

หุ่นยนต์ Parallel/Delta เป็นเครื่องจักรที่มีแขนที่มีส่วนต่อประสานกันเป็นโครงสร้างวงปิด

ในขณะที่หุ่นยนต์อื่นๆ เช่นโทโพโลยี Cylindrical หรือ Cartesian ตั้งชื่อตามการเคลื่อนที่ แต่หุ่นยนต์ Delta นั้นถูกตั้งชื่อตามรูปทรงสามเหลี่ยมกลับหัว หุ่นยนต์เดลต้ามีแกน 2 ถึง 6 แกน โดยรูปแบบ 2 และ 3 แกนจะเป็นแบบที่ใช้กันมากที่สุด เช่นเดียวกับหุ่นยนต์ Cartesian 2 แกน หุ่นยนต์เดลต้า 2 แกนในทางเทคนิคไม่ตรงตามข้อกำหนดของ ISO 8373 ที่เรียกว่าหุ่นยนต์

หุ่นยนต์เดลต้าได้รับการออกแบบให้มีความเร็วมากกว่าความแข็งแกร่ง ติดตั้งอยู่เหนือพื้นที่ทำงานและทำหน้าที่ต่างๆ เช่น การหยิบและวาง การคัดแยก การแยกชิ้นส่วน และการบรรจุหีบห่อ มักพบอยู่เหนือสายพานลำเลียงเพื่อเคลื่อนย้ายชิ้นส่วนต่างๆ ลงมาในสายการผลิต มือจับเชื่อมต่อกับส่วนเชื่อมต่อทางกลที่ยาวและเรียว การเชื่อมต่อเหล่านี้นำไปสู่มอเตอร์ขนาดใหญ่สามหรือสี่ตัวที่ฐานของหุ่นยนต์ ปลายอีกด้านของส่วนเชื่อมต่อจะติดอยู่กับแผ่นเครื่องมือที่ EOAT ยึดอยู่

RBTX-IGUS-0047 จาก Igus เป็นตัวอย่างของหุ่นยนต์ Delta แบบ 3 แกน มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางพื้นที่ทำงาน 660 มม. และสามารถรับน้ำหนักได้สูงสุด 5 กก. เมื่อบรรทุกน้ำหนัก 0.5 กก. สามารถเคลื่อนที่ได้ 30 ครั้งต่อนาทีด้วยความเร็วสูงสุด 0.7 m/s และความเร่ง 2 m/s² มีความสามารถในการทำซ้ำ ±0.5 มม. (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: หุ่นยนต์ Delta แบบสามแกนและตัวควบคุม (ซ้าย) (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

หุ่นยนต์ Polar (หุ่นยนต์ทรงกลม) คือหุ่นยนต์ที่มีข้อต่อแบบหมุน 2 ข้อและข้อต่อแบบเลื่อน 1 ชิ้น ซึ่งมีแกนประกอบกันเป็นระบบพิกัดเชิงขั้ว

ข้อต่อแบบหมุนข้อใดข้อหนึ่งช่วยให้หุ่นยนต์ Polar สามารถหมุนรอบแกนแนวตั้งที่ยื่นออกมาจากฐานได้ ข้อต่อแบบหมุนอันที่สองอยู่ในมุมฉากกับข้อต่อแบบหมุนอันแรกและทำให้แขนหุ่นยนต์สวิงขึ้นและลงได้ ในที่สุด ข้อต่อแบบเลื่อนทำให้แขนหุ่นยนต์สามารถขยายหรือถอยกลับจากแกนตั้งได้

หุ่นยนต์ Polar แม้จะสร้างอย่างเรียบง่าย แต่ก็มีข้อเสียที่จำกัดการใช้งานเมื่อเทียบกับโทโพโลยีอื่นๆ เช่น หุ่นยนต์ Articulated, Cartesian และ SCARA:

• ระบบพิกัดทรงกลมทำให้การเขียนโปรแกรมซับซ้อนมากขึ้น
• โดยทั่วไปแล้วพวกมันจะมีความสามารถในการบรรทุกที่จำกัดมากกว่าหุ่นยนต์ประเภทอื่นๆ
• ความเร็วช้ากว่าหุ่นยนต์ตัวอื่น

ประโยชน์หลักของหุ่นยนต์ Polar คือพื้นที่ทำงานขนาดใหญ่และมีความแม่นยำสูง ใช้สำหรับการดูแลเครื่องมือกล การประกอบ การจัดการวัสดุในสายการประกอบยานยนต์ และการเชื่อมแก๊สและอาร์ค

หุ่นยนต์ SCARA (จาก "Selectively Compliant Arm for Robotic Assemblies") คืออุปกรณ์ควบคุมที่มีข้อต่อหมุนขนานกัน 2 ข้อเพื่อให้มีความสอดคล้องในระนาบที่เลือก

หุ่นยนต์ SCARA พื้นฐานมีระดับความเป็นอิสระสามระดับ ระดับที่สามจากอุปกรณ์ปลายแขน นอกจากนี้ หุ่นยนต์ SCARA ยังมีข้อต่อแบบหมุนเพิ่มเติมเพื่อให้มีระดับความอิสระสี่ระดับ ทำให้สามารถเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนมากขึ้นได้

หุ่นยนต์ SCARA มักใช้ในการหยิบและวางหรือการประกอบที่ต้องการความเร็วสูงและความแม่นยำสูง ตัวอย่างเช่น M1-PRO ของ Dobot เป็นหุ่นยนต์ SCARA 4 แกนที่มีรัศมีการทำงาน 400 มม. น้ำหนักบรรทุกสูงสุด 1.5 กก. และความสามารถในการทำซ้ำ ±0.02 มม. มีการตรวจจับการชนแบบไร้เซ็นเซอร์และการเขียนโปรแกรมแบบลาก ทำให้เหมาะสำหรับใช้เป็นโคบอทและหุ่นยนต์เดี่ยวๆ (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: หุ่นยนต์ SCARA สี่แกนที่มีความสามารถในการทำซ้ำ ±0.02 มม. (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

สรุป

หุ่นยนต์อุตสาหกรรมทั้งหมดมีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนด ISO 8373 ในการควบคุมโดยอัตโนมัติด้วยเครื่องจักรอเนกประสงค์ที่สามารถตั้งโปรแกรมใหม่ได้ อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ทุกการออกแบบที่จะมีจำนวนแกนที่กำหนดไว้สำหรับโทโพโลยีที่ระบุ หุ่นยนต์ Delta และ Cartesian มีให้เลือกใช้งานโดยมีจำนวนแกนน้อยกว่าที่กำหนด ในขณะที่หุ่นยนต์ SCARA บางตัวมีแกนมากกว่าที่กำหนดโดย IFR