Шестиосевой робот

Шестиосевой робот — это промышленный робот-манипулятор с шестью степенями свободы, обеспечивающий пространственное перемещение рабочего органа (захвата, инструмента) по любой траектории в пределах рабочей зоны. Конструктивно представляет собой кинематическую цепь из шести последовательно соединённых звеньев, каждое из которых приводится в движение отдельным сервоприводом (осью). Шесть степеней свободы позволяют роботу позиционировать и ориентировать объект в трёхмерном пространстве: три оси отвечают за перемещение в координатах X, Y, Z, а три — за углы поворота (тангаж, рыскание, крен). Данный тип манипуляторов является наиболее распространённым в промышленной автоматизации благодаря универсальности и способности выполнять сложные операции, требующие высокой точности и гибкости.

История

Развитие шестиосевых роботов неразрывно связано с эволюцией промышленной робототехники второй половины XX века. Первые промышленные роботы, появившиеся в 1950-х годах, были, как правило, простыми двух- или трёхосевыми устройствами, выполнявшими ограниченный набор операций (например, перенос деталей между конвейерами). Ключевым шагом к созданию шестиосевого манипулятора стала разработка в 1961 году компанией Unimation (США) робота Unimate, который имел 5 степеней свободы и использовался на линиях литья под давлением.

В 1973 году шведская компания ASEA (позже — ABB) представила робот IRB 6, который считается первым в мире полностью электрическим шестиосевым промышленным роботом. Он имел грузоподъёмность 6 кг и мог выполнять такие операции, как дуговая сварка и сборка. В 1974 году японская компания Kawasaki Heavy Industries, лицензировав технологию Unimation, выпустила собственного шестиосевого робота, что положило начало массовому внедрению таких манипуляторов в автомобильной промышленности Японии.

В 1980-е годы, с развитием микропроцессорной техники и систем управления, шестиосевые роботы стали более точными, быстрыми и доступными. Появились контроллеры с обратной связью по положению и скорости, что позволило реализовать сложные траектории движения. К концу 1990-х годов шестиосевые манипуляторы стали стандартом в таких отраслях, как сварка, покраска, сборка и упаковка. В 2000-х годах развитие получили коллаборативные роботы (коботы), которые, сохраняя шестиосевую кинематику, оснащаются датчиками усилия и системами безопасности, позволяющими работать рядом с человеком без ограждений.

Устройство и конструкция

Кинематическая схема

Шестиосевой робот, как правило, построен по антропоморфной (шарнирной) кинематической схеме, имитирующей руку человека. Основные звенья:

Основание (база) — неподвижная часть, крепящаяся к полу, стене или потолку. Внутри основания размещается первый сервопривод, обеспечивающий вращение всей конструкции вокруг вертикальной оси (ось 1, обычно ±180°).
Плечо — звено, соединённое с основанием шарниром. Второй сервопривод (ось 2) обеспечивает подъём и опускание плеча (качание в вертикальной плоскости).
Предплечье — звено, соединённое с плечом. Третий сервопривод (ось 3) отвечает за подъём и опускание предплечья относительно плеча.
Запястье — сложный узел, состоящий из трёх вращательных осей (оси 4, 5, 6), которые обеспечивают ориентацию рабочего органа в пространстве. Ось 4 (вращение предплечья), ось 5 (наклон запястья), ось 6 (вращение фланца).

Приводы и передачи

В современных шестиосевых роботах используются электромеханические сервоприводы, состоящие из:

Электродвигатель — обычно бесщёточный (BLDC) или синхронный с постоянными магнитами, обеспечивающий высокий крутящий момент и точность.
Редуктор — для увеличения крутящего момента и снижения скорости вращения. Наиболее распространены планетарные редукторы и редукторы с волновой передачей (Harmonic Drive), которые обеспечивают высокую точность и отсутствие люфта.
Энкодер — датчик положения, встроенный в двигатель или редуктор, передающий информацию о текущем угле поворота на контроллер.

Система управления

Контроллер шестиосевого робота — это специализированный промышленный компьютер, который:

Получает команды от программируемого логического контроллера (ПЛК) или от персонального компьютера через промышленный интерфейс (EtherCAT, Profinet, CANopen).
Вычисляет обратную кинематику — математически определяет, какие углы поворота каждой оси необходимы для достижения заданного положения и ориентации рабочего органа.
Реализует алгоритмы управления движением (PID-регуляторы, предиктивное управление) для обеспечения плавности, точности и скорости перемещения.
Обрабатывает сигналы от датчиков (конечные выключатели, датчики усилия, системы технического зрения) для адаптации к изменяющимся условиям.

Классификация

Шестиосевые роботы классифицируются по нескольким основным параметрам:

По грузоподъёмности

Малые (до 10 кг) — для сборки, тестирования, лабораторных работ.
Средние (10–100 кг) — для дуговой и точечной сварки, погрузки-разгрузки станков.
Тяжёлые (100–500 кг) — для перемещения крупных деталей, литья под давлением, обработки.
Сверхтяжёлые (свыше 500 кг) — для работы в автомобильной и авиационной промышленности, например, перемещение кузовов автомобилей.

По типу исполнения

Стандартные — для работы в обычных условиях (температура 0–40°C, отсутствие агрессивных сред).
Защищённые — с пылевлагозащитой (IP54, IP65) для работы в цехах с повышенной запылённостью или влажностью.
Взрывозащищённые — для работы в химической, нефтегазовой и лакокрасочной промышленности (например, для покраски).
Коллаборативные — оснащённые датчиками усилия и системами безопасности, позволяющими работать без ограждений.

По области применения

Сварочные — с высокой точностью позиционирования и возможностью работы с дуговой или точечной сваркой.
Покрасочные — с защитой от взрыва и возможностью работы с распылителями.
Сборочные — с высокой повторяемостью и возможностью интеграции с системами технического зрения.
Погрузочно-разгрузочные — для обслуживания станков, конвейеров, складов.

Применение

Шестиосевые роботы находят широкое применение в самых разных отраслях промышленности, где требуется автоматизация сложных и повторяющихся операций.

Автомобильная промышленность

Это крупнейший потребитель шестиосевых роботов. Они используются для:

Точечная сварка — сборка кузовов автомобилей (например, на линиях конвейера).
Дуговая сварка — сварка сложных швов на рамах, шасси.
Покраска — нанесение лакокрасочных покрытий на кузова.
Сборка — установка дверей, капотов, бамперов.
Перемещение — транспортировка тяжёлых деталей (двигатели, коробки передач).

Металлообработка и машиностроение

Фрезерование, шлифование, полировка — обработка сложных поверхностей (например, лопаток турбин).
Лазерная и плазменная резка — точное вырезание деталей из листового металла.
Сварка — сварка крупных металлоконструкций (мосты, краны, корпуса судов).

Электроника и микроэлектроника

Сборка — установка компонентов на печатные платы (SMT-монтаж).
Тестирование — проверка работоспособности электронных модулей.
Упаковка — укладка готовых изделий в лотки и коробки.

Пищевая и фармацевтическая промышленность

Упаковка — фасовка продуктов, укладка в коробки, паллетирование.
Сортировка — разделение продуктов по размеру, цвету, весу (с использованием систем технического зрения).
Обработка — нанесение покрытий, глазури, упаковка в блистеры.

Логистика и складское хозяйство

Паллетирование — формирование паллет с готовой продукцией.
Штабелирование — укладка коробок на стеллажи.
Сортировка — перемещение посылок и грузов на конвейерах.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Универсальность — способность выполнять широкий спектр операций благодаря шести степеням свободы.
Высокая точность — повторяемость позиционирования до ±0,02 мм у современных моделей.
Гибкость — возможность быстрой переналадки для выполнения разных задач путём смены программы и рабочего органа.
Скорость — максимальная скорость перемещения может достигать 10 м/с и выше.
Надёжность — ресурс работы сервоприводов и редукторов может составлять десятки тысяч часов.

Недостатки

Высокая стоимость — покупка, установка и интеграция робота требуют значительных инвестиций (от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов рублей).
Сложность программирования — для настройки траекторий и параметров движения требуется квалифицированный персонал.
Ограниченная рабочая зона — антропоморфная конструкция имеет ограниченный радиус действия (обычно 0,5–3 метра).
Требования к безопасности — для стандартных роботов необходимо устанавливать защитные ограждения и системы блокировки.
Энергопотребление — тяжёлые роботы могут потреблять значительное количество электроэнергии.

Интересные факты

Самый большой шестиосевой робот в мире — M-2000iA/2300 от FANUC (Япония). Его грузоподъёмность составляет 2300 кг, а радиус действия — 6,2 метра. Он используется для перемещения крупных деталей в автомобильной промышленности.
Первый коллаборативный шестиосевой робот — UR5 от Universal Robots (Дания), выпущенный в 2008 году. Он был оснащён датчиками, останавливающими движение при столкновении с человеком.
В 2020 году компания Hyundai Motor Group приобрела Boston Dynamics (США), известную своими четырёхногими роботами Spot, но также разрабатывающую шестиосевые манипуляторы для промышленного применения.
Шестиосевые роботы используются в медицине для проведения хирургических операций (например, система da Vinci, которая имеет 7 степеней свободы, но базируется на аналогичной кинематике).

Источники

Industrial Robotics: Technology, Programming and Applications — M. P. Groover, 2019.
Robotics: Modelling, Planning and Control — B. Siciliano, L. Sciavicco, L. Villani, G. Oriolo, 2010.
Handbook of Industrial Robotics — S. Y. Nof, 1999.
ABB Robotics: The History of Industrial Robots — ABB Ltd., 2018.
FANUC Robotics: Product Catalog — FANUC Corporation, 2023.
Universal Robots: Collaborative Robots — Universal Robots A/S, 2022.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →