تُستخدم أنظمة تحديد مواقع الروبوتات كمسارات طويلة في المستودعات ومرافق الطيران والفضاء والسيارات، لتمكين روبوت واحد من أداء مهام متعددة. وتُعرف هذه الأنظمة أيضاً بوحدات نقل الروبوتات أو أنظمة المحور السابع، وهي شائعة الاستخدام بشكل متزايد في عمليات التجميع واللحام واسع النطاق والتخزين.

على عكس الأنظمة التقليدية التي يُثبّت فيها الروبوت على الأرض، تقوم وحدات التحكم عن بُعد (RTUs) بتحريك الروبوتات عبر خلايا العمل والمصانع، ونقلها بين المحطات. تُعدّ أفضل الأنظمة لوحدات التحكم عن بُعد هي تلك التي تُبنى حديثًا، أو تلك التي يمكن فيها وضع العمليات والآلات ذات الصلة في صف مستقيم. عندما تُحرّك وحدات التحكم عن بُعد روبوتات سداسية المحاور، تُسمى المسارات الخطية أحيانًا بالمحور السابع (أو، في حالات أقل شيوعًا، عندما يكون للروبوت نفسه سبع درجات حرية، بالمحور الثامن). عندما تكون هذه المسارات جزءًا من إطار، بما في ذلك الإطارات التي يتدلى منها الروبوت، تُسمى جسورًا متحركة.

بغض النظر عن شكل الروبوت أو مساره، فإن الهدف من المحور الإضافي هو إضافة حركة انتقالية. وهذا إما يوسع نطاق العمل أو يسمح للروبوت بنقل قطع العمل أو الأدوات. في بعض الترتيبات، يسمح الأول للروبوت بتشغيل عدة آلات أو التقاط منصات نقالة من صفوف، أو تصنيع مكونات كبيرة جدًا. أما بالنسبة للثاني، فتشمل التطبيقات الشائعة التعبئة والتغليف واللحام والقطع بقوس البلازما وغيرها من المهام الميكانيكية.

نركز هنا على خيارات محركات وحدات التحكم عن بعد. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أنه يتعين على المهندسين أيضًا الاختيار بين مجموعة من الموجهات والمحامل (عادةً ما تكون على شكل متابعات كامة أو موجهات جانبية).

تتعدد خيارات التصميم والتشغيل لوحدات التحكم عن بعد (RTUs).
على الرغم من أن بعض الرافعات الجسرية تتضمن هياكل لقلب الروبوتات وتعليقها لتسهيل الوصول إلى الآلات من الأعلى، إلا أن وحدات التحكم عن بُعد (RTUs) المثبتة على الأرض والتي توجه الروبوت في وضع رأسي هي الأكثر شيوعًا. تتميز هذه الوحدات بقدرة تحمل أعلى في المتوسط، حيث تحمل أذرع الروبوتات وأحمالًا تصل إلى آلاف الأرطال.

يستطيع المهندسون شراء وحدات تحكم عن بعد جاهزة أو تصنيعها داخليًا بالاستعانة بخبراتهم في أنظمة الحركة. أبسطها هي أزواج المسارات الخطية التي تحمل منصات يُثبّت عليها الروبوت. مع ذلك، يلجأ العديد من مصنعي المعدات الأصلية إلى الاستعانة بمكاملين متخصصين في الحالات التي تؤدي فيها الروبوتات المثبتة على وحدات التحكم عن بعد مهامًا عالية الدقة، مثل عمليات القطع (حيث يجب أن ينسق التصميم حركة محاور متعددة) أو نقل المسبوكات عبر أدوات آلية مختلفة للمعالجة.

يتمثل التحدي الأكبر في هندسة وحدات نقل الروبوتات في برمجتها لتتزامن مع حركة أذرع الروبوت التي تحملها. أما التحدي الثاني الأكبر فيتمثل في جعل هذه الوحدات تحافظ على حركة خطية دقيقة على امتداد عدة أمتار.

تلبية المتطلبات البدنية اللازمة للضربات الطويلة
أحيانًا تكون السرعة هي الهدف الأساسي لتصميم وحدات التحكم عن بُعد (RTU). ويصدق هذا بشكل خاص عندما تنقل هذه الوحدات الروبوتات لمسافات تتجاوز بضع مئات من الأقدام، أو حتى أكثر في التجهيزات الخاصة. وتُعدّ السرعة العالية في سياق الروبوتات المتحركة - التي قد يصل وزن أذرعها إلى آلاف الأرطال بالإضافة إلى حمولاتها - أمرًا نسبيًا. مع ذلك، تستطيع بعض وحدات التحكم عن بُعد التحرك بسرعة تتجاوز 10 أقدام/ثانية بتسارع يصل إلى 1g.

لكن في كثير من الأحيان، تُعدّ الدقة الهدف الأساسي لتصميم وحدات التحكم عن بُعد. لنأخذ على سبيل المثال تطبيقًا يُساعد فيه الروبوت خلية عمل تعاونية في عمليات التشغيل الآلي. في هذه الحالة، لا تُفيد السرعة وتوسيع نطاق عمل الروبوت إلا إذا كان الإطار المحيط قادرًا على الحفاظ على دقة عالية. غالبًا ما تتطلب هذه التصاميم دقة تصل إلى 0.02 مم، وتكرارًا في تحديد المواقع يصل إلى 0.2 مم تقريبًا أثناء حركة المسار.

في المقابل، إذا كان التطبيق يستخدم ذراعًا روبوتية لتطبيقات تختبر قدرات التحكم التكيفي ولكنها أقل اعتمادًا على الدقة المطلقة، فقد تنجح إعدادات أخرى. وقد يتخذ هذا شكل مركبة متنقلة مزودة بذراع روبوتية، على سبيل المثال، لتفريغ حاويات الشحن.

بغض النظر عن التصميم، يُعدّ انخفاض تكاليف الصيانة وطول العمر من العوامل الحاسمة في جميع أنظمة وحدات التحكم عن بُعد (RTU)، إذ ترتبط عادةً بأكثر من وظيفة في المصنع والعديد من الآلات الأخرى. ولذلك، فإن تعطل وحدات التحكم عن بُعد غالبًا ما يُؤدي إلى توقف محطات أخرى عن العمل.

تُعد السلامة المتكاملة مهمة أيضاً لأن العديد من وحدات التحكم عن بعد (RTUs) تنقل الروبوتات عبر حقول مليئة بمعدات باهظة الثمن مثل أدوات الآلات أو حتى العمال - خاصة عندما تعمل حول مناطق بها موظفو تجميع.

الأحزمة والبراغي والأنظمة الهوائية لوحدات التحكم عن بعد
تستخدم الجسور الروبوتية التي تقطع مسافات خطية متوسطة المدى عادةً محركات مقترنة بسيور ناقلة. هذه أنظمة بسيطة نسبيًا تستخدم بكرات تعمل بمحركات كهربائية لتوليد شد على طول السير وتسريع الحركة بسرعة. مع ذلك، عند زيادة طول شوطها، قد تظهر مشاكل في ترهل السيور إذا لم يتمكن النظام من الحفاظ على الشد على طول السير بالكامل. وللتوضيح، لا تكمن المشكلة في محدودية الحمولة، بل في خطر فقدان الحركة نتيجةً لمرونة السير.

توجد استثناءات لشرط قابلية التوسع. ففي بعض وحدات التحكم عن بُعد (RTUs)، تُشغّل محاور السيور (المدفوعة من عمود إدارة مشترك) أذرعًا توافقية. وهنا، تحافظ محركات السيور على دقة تحديد المواقع الروبوتية ذات الأشواط الطويلة في ظل الظروف المناسبة. وتستخدم معظم وحدات التحكم عن بُعد الناجحة التي تعمل بالسيور إطارات ومسارات خطية باتجاهات متكاملة لتحقيق دقة أعلى من نظام السيور. ويمكن لبعض هذه الوحدات، المزودة بمحركات سكك تعمل بالسيور، الحفاظ على تكرارية تصل إلى ± 0.001 بوصة، حتى عند تحريك روبوتات تزن طنًا واحدًا لمسافات طويلة. وبفضل السكك المناسبة، تُتيح محركات السيور لوحدات التحكم عن بُعد أن تكون أرخص وأكثر مرونة من البدائل.

خيار آخر للمحور السابع هو محور يعمل ببرغي كروي. يعالج هذا التصميم الاهتزازات والارتدادات التي قد تحدث في أنظمة نقل الحركة بالسيور. ويعتمد أساسًا على عنصر ميكانيكي ثابت للحفاظ على التحكم اللازم للتوقف والتحديد الدقيقين للموقع.

تعمل براغي الكرات بكفاءة عالية في الأنظمة التي يصل طولها إلى ستة أمتار تقريبًا، وذلك بمساعدة دعامات محامل متقطعة. أما في المحاور الأطول، فتكمن المشكلة الرئيسية في اهتزاز البراغي عند السرعات العالية، خاصةً إذا لم تحصل على الدعم الكافي. ويعود ذلك إلى انحناء أعمدة براغي الكرات تحت وزنها. وعند الوصول إلى السرعة الحرجة (وهي دالة لقطر عمود البرغي، واستقامته، ومحاذاته، وطوله غير المدعوم)، يؤدي هذا الاهتزاز إلى زيادة التردد الطبيعي للعمود. لذا، تنخفض السرعة القصوى مع زيادة طول برغي الكرات.

تستخدم بعض الأنظمة كتل محامل تنفصل وتنهار معًا، ثم تبقى ثابتة لدعم البرغي، مما يتيح امتدادًا أطول دون اهتزاز. مع ذلك، في حالة المسارات الطويلة جدًا التي تعمل ببراغي كروية، يجب على المصنّعين ربط عدة براغي (عادةً باستخدام الغراء بدلًا من اللحام لتجنب التشوه). وإلا، يجب أن يكون قطر البرغي كبيرًا جدًا لمعالجة مشكلة الاهتزاز. تصل أشواط بعض هذه الأنظمة القائمة على البراغي الكروية إلى 10 أمتار، وتعمل بسرعة تصل إلى 4000 دورة في الدقيقة. ملاحظة أخرى: تحتاج البراغي في مسارات الروبوت إلى حماية من الأوساخ والحطام. مع ذلك، في الحالات التي تعمل فيها، تستطيع وحدات التحكم عن بُعد (RTUs) التي تستخدم محركات كهربائية مقترنة ببراغي كروية التعامل مع أحمال أكبر من المحاور التي تعمل بالسيور.

تتوفر أيضًا أنظمة تعمل بالطاقة الهيدروليكية للأنظمة ذات الشوط الطويل. تُعدّ وحدات التحكم عن بُعد الهوائية هذه حلاً منخفض التكلفة عادةً للتطبيقات التي تتطلب فقط تحديد المواقع ذهابًا وإيابًا بمسافة توقف واحدة. تتحرك الوحدات المتوسطة بسرعة 2 متر/ثانية وتتكامل مع أنظمة التحكم الأخرى للروبوت.

محركات خطية لوحدات التحكم عن بعد الدقيقة
يمكن لوحدات التحكم عن بعد ذات الشوط الطويل (المستخدمة في الروبوتات المختبرية، على سبيل المثال) استخدام محركات خطية. كما تتضمن معظم هذه الوحدات إلكترونيات متطورة، وأجهزة تشفير مطلقة، وأنظمة تحكم في الحركة لتتبع المحاور، حتى بعد حدوث أخطاء أو توقفات.

يبلغ مدى وصول المحرك الخطي عادةً حوالي أربعة أمتار. هذا المدى أنسب لعمليات الالتقاط والوضع ومعالجة رقائق أشباه الموصلات مقارنةً بتطبيقات وحدات التحكم عن بُعد (RTU) الأثقل وزنًا. باختصار، تُعدّ المحركات الخطية في وحدات التحكم عن بُعد تحديًا خاصًا لأنها تتطلب دقة ميكانيكية عالية مع قدرة على حمل أوزان ثقيلة. وهذا يستلزم استخدام المزيد من المغناطيسات الدائمة باهظة الثمن التي تُحسّن أداء المحركات الخطية.

هناك استثناءات. فقد تم تصميم وبناء وحدة تحكم عن بعد (RTU) قياسية عالمية مزودة بمحركين خطيين متوازيين خصيصًا لنظام أتمتة يتطلب حركات دقيقة تصل إلى 12 مترًا. تعمل قضبان الدعم المصنوعة من الألومنيوم الصلب مع محملين كرويين خطيين دوارين بستة صفوف ومجموعات توجيه. يولد محركان خطيان متزامنان مشقوقان قوة تصل إلى 4200 نيوتن.

مجموعات التروس المسننة لأجهزة التحكم عن بعد
تُعدّ وحدات التحكم عن بُعد (RTUs) المتوفرة تجاريًا والتي تستخدم مجموعات التروس المسننة الأكثر شيوعًا. يصل طولها عادةً إلى 15 مترًا. يتم دمج التحكم في الوحدة الخطية كمحور مرتبط رياضيًا في وحدة تحكم الروبوت، مما يُغني عن الحاجة إلى وحدة تحكم إضافية. تحافظ العديد من هذه الوحدات على الدقة حتى في أشواط تصل إلى 30 مترًا من خلال دمج محرك سيرفو تيار متردد بدون فرش وعلبة تروس كوكبية مع مجموعات تروس مسننة حلزونية أرضية. تستخدم تصميمات أخرى عربة تتحرك على سكة أحادية الحافة بواسطة بكرات شديدة التحمل في كتلة واحدة. في هذه الحالة، تكون السكك عادةً مستطيلة الشكل مع وجود ترس مسنن في حافتها الداخلية. يمكن ربط هذه السكك بأجزاء منحنية عند الحاجة.

تستخدم بعض وحدات التحكم عن بُعد (RTUs) التي تُحرّك الروبوت على المنصة المتحركة قضبانًا مسطحة مصنوعة من الفولاذ المُقسّى، وتُقرنها بمجموعات من مُتابعات الكامات. بينما تستخدم وحدات أخرى محركًا كهربائيًا مع مُخفّض سرعة حلزوني وحزام لتشغيل المنصة. أما على محور النقل الطويل، فتستخدم وحدة التحكم عن بُعد محركًا كهربائيًا يُشغّل ترسًا صغيرًا يُعشّق مع مسنّن.

محاكاة وبرمجة وحدات التحكم عن بعد
تتوفر أدوات تُمكّن المهندسين من تخطيط مسارات وحدات التحكم عن بُعد (RTUs) وتنسيقها مع وظائف الروبوت. كما تُمكّن برامج محاكاة الروبوت، وحتى بعض وحدات التحكم في الحركة، المهندسين من تخطيط المسارات، وتحميل البرامج الناتجة على وحدة تحكم، ثم التحكم في الروبوت ووحدة التحكم عن بُعد باستخدام هذه الوحدة.

خيار آخر هو البرامج التي توفرها شركات برمجيات متخصصة تبيع مجموعات تطوير الروبوتات، والتي تتيح برمجة معظم أنواع الروبوتات عبر واجهات برمجة التطبيقات (APIs). هذه الأدوات البرمجية، إلى جانب العديد من الأدوات الأخرى، تجعل إعداد الروبوت أسهل من أي وقت مضى، خاصةً للفرق ذات الخبرة المتوسطة في التحكم بالحركة أو التحكم الرقمي بالحاسوب (CNC). عادةً ما تتم عمليات التصميم الأولية من خلال برمجة الحاسوب الشخصي دون اتصال بالإنترنت. بعد ذلك، عندما يقوم الفنيون بتركيب الروبوت ووحدة التحكم عن بُعد (RTU)، يقوم برنامج البرمجة بإنشاء رمز برمجي يتم تحميله على وحدات التحكم. يقوم البرنامج بتوجيه وحدة التحكم عن بُعد والروبوت عبر مسارات مُبرمجة لاختبار أي مشاكل. ثم يستخدم الفني وحدة تحكم يدوية لتحديد موضع ذراع الروبوت أو القاطع أو أداة النهاية في نقاط محددة في الفضاء، بينما يقوم جهاز التحكم بتسجيل الحركات. بدلاً من ذلك، يمكن للفنيين استخدام وحدة تحكم يدوية للإعداد بالكامل، ثم تحسين المسارات لاحقًا - وهو أسلوب شائع بشكل متزايد.

تحذير: تعمل وحدات RTU على تعقيد معايرة الروبوت
بعد الإعداد المادي، تحتاج وحدات التحكم عن بُعد (RTUs) والروبوتات إلى معايرة. تكمن المشكلة في أن الروبوتات الصناعية المقترنة بوحدات التحكم عن بُعد غالبًا ما تُنفذ حركات قابلة للتكرار ولكنها غير دقيقة، مما ينتج عنه حركة خرج تختلف عن تقريبيات المحاكاة. يبلغ متوسط ​​دقة التكرار أحادي الاتجاه للروبوتات الصناعية وحدها من 0.1 مم إلى 0.01 مم. عادةً ما تُركّب المحاور على رأس تروس ومحرك بدون رد فعل عكسي، ويتتبعها جهاز تحكم باستخدام مشفرات عالية الدقة. زيادة دقة حركة الخرج أكثر من ذلك مكلفة، حيث تُضيف التجميعات والمكونات، مثل التروس، حركة مفقودة (غالبًا بسبب المرونة الميكانيكية). لذلك، غالبًا ما يتعين على أنظمة التحكم تعويض خطأ الموضع الذي يصل إلى ملليمترات في بعض الحالات.

تعتمد معايرة الروبوتات التقليدية على محاذاة ليزرية مكلفة، وقد تُقلل هذه الطريقة أحيانًا من خطأ الإخراج بمقدار عشرين ضعفًا. في المقابل، تُقدم شركات تصنيع الروبوتات خدمة المعايرة في المصنع. كما تُقدم شركات متخصصة في معايرة الروبوتات خدمات تُراعي تأثير إضافة وحدة تحكم عن بُعد (RTU) على دقة إخراج الروبوت الإجمالية. بالإضافة إلى ذلك، تُتيح مستشعرات الكاميرا المزدوجة فحصًا دقيقًا وقياسًا ديناميكيًا باستخدام البصريات والإضاءة الخاصة. تُعد طرق المعايرة الميكانيكية خيارًا آخر، على الرغم من صعوبة تطبيقها على الروبوتات التي تسير على مسارات طويلة.