يُعد تصميم أتمتة شاملة لتطبيقات الالتقاط والوضع عالية السرعة من أصعب المهام التي يواجهها مهندسو الحركة. ومع تزايد تعقيد الأنظمة الروبوتية وارتفاع معدلات الإنتاج، يتعين على مصممي الأنظمة مواكبة أحدث التقنيات وإلا سيخاطرون بتحديد تصميم أقل من الأمثل. دعونا نستعرض بعضًا من أحدث التقنيات والمكونات المتاحة، ونلقي نظرة فاحصة على استخداماتها.

تصاميم مدمجة تناسب أذرع الروبوت

لا تُعرف أذرع الروبوتات الصناعية عادةً بخفة وزنها، بل تتميز معظمها بهياكل متينة تتحمل استخدام أدوات ثقيلة في نهاية الذراع. ورغم مزايا التصميم المتين، إلا أن هذه الأذرع الروبوتية ثقيلة وضخمة للغاية للاستخدامات الدقيقة. ولجعل الأذرع الأكثر رشاقةً أكثر ملاءمةً للمهام الخفيفة، شرع مهندسون من شركة igus Inc.، في كولونيا بألمانيا، في تطوير مفصل متعدد المحاور يسمح للأحمال الصغيرة بالدوران حول ذراع الرافعة. المفصل الجديد مناسب تمامًا لتطبيقات الالتقاط والوضع الدقيقة، حيث يمكن تعديل قوة المقبض حسب الحاجة.

المرونة وخفة الوزن هما معيارا تصميم رئيسيان للمفصل الجديد، الذي يتكون من عناصر تحكم بلاستيكية وكابلية. باختصار، تُنقل الكابلات من مفصل كتف الذراع بواسطة محركات سيرفو تيار مستمر بدون فرش مدمجة من FAULHABER، مما يمنع القصور الذاتي في الذراع، ويُسهّل الحركة الديناميكية، ويُقلّل من حجم التصميم.

اعتمد المهندسون في تصميمهم بشكل كبير على مفصل مرفق الإنسان، لذا تم دمج درجتي حرية - الدوران والدوران - في مفصل واحد. وكما هو الحال في ذراع الإنسان، فإن أضعف جزء في ذراع الروبوت ليس العظام (أنبوب جسم ذراع الروبوت) أو العضلات (محرك الدفع)، بل الأوتار، التي تنقل الطاقة. هنا، تُصنع كابلات التحكم عالية الجهد من مادة البولي إيثيلين فائقة القوة UHMW-PE، والتي تتميز بقوة شد تتراوح بين 3000 و4000 نيوتن/مم². بالإضافة إلى وظائف ذراع الروبوت التقليدية، مثل تطبيقات الالتقاط والوضع، يُعد المفصل مناسبًا أيضًا لتركيبات الكاميرات الخاصة، وأجهزة الاستشعار، أو الأدوات الأخرى التي تتطلب بنية خفيفة الوزن. تم دمج مستشعر موضع الزاوية المغناطيسية في كل مفصل لضمان دقة عالية.

تتميز محركات السيرفو المُبدَّلة إلكترونيًا بكتلة حركة منخفضة، مما يجعلها مناسبة للاستخدام الديناميكي: صُمِّم جهد التشغيل البالغ 24 فولت تيار مستمر لشحن البطارية، وهو أمر بالغ الأهمية للاستخدام في التطبيقات المتنقلة، بينما يزيد عزم دوران المحرك البالغ 97 مللي نيوتن متر من رؤوس التروس الكوكبية المتوافقة مع القطر إلى القيم المطلوبة لتشغيل الذراع. علاوة على ذلك، لا تحتوي هذه المحركات الخالية من الفرش على أي مكونات قابلة للتآكل باستثناء محمل الدوار، مما يضمن عمر خدمة يصل إلى عشرات الآلاف من الساعات.

نظام الحركة الخطية يسرع أتمتة المختبر

إلى جانب عمليات التعبئة والتغليف والتجميع التقليدية، تتزايد أيضًا عمليات الالتقاط والوضع في أتمتة المختبرات عالية السرعة. تخيل التعامل مع ملايين عينات البكتيريا يوميًا، وستتكون لديك فكرة عما يُتوقع من مختبرات التكنولوجيا الحيوية اليوم التعامل معه. في أحد الإعدادات، يُمكّن نظام حركة خطية متقدم روبوتًا مختبريًا للتكنولوجيا الحيوية يُسمى RoToR من تثبيت مصفوفات من الخلايا بسرعات قياسية تتجاوز 200,000 عينة في الساعة. يأتي RoToR من شركة Singer Instruments، سومرست، المملكة المتحدة، ويُستخدم كنظام أتمتة مكتبي للأبحاث الوراثية والجينومية وأبحاث السرطان. غالبًا ما يخدم أحد هذه الروبوتات عدة مختبرات مختلفة، حيث يخصص العلماء فترات زمنية قصيرة لتكرار مكتبات البكتيريا والخميرة، والتزاوج، وإعادة ترتيبها، والنسخ الاحتياطي لها.

يتحكم جهاز تحكم آني بمحاور الحركة الثلاثة التي تُنسّق حركات تثبيت الروبوت من نقطة إلى نقطة، بالإضافة إلى محور معالجة العينات، ويتفاعل مع واجهة المستخدم الرسومية للروبوت. كما يُدير جهاز التحكم جميع قنوات الإدخال/الإخراج.

إلى جانب وحدة التحكم، زودت شركة Baldor أيضًا محرك سيرفو خطيًا ووحدة تحكم، وثلاث وحدات متكاملة لمحرك متدرج ووحدة تحكم. ينقل الروبوت البيانات من نقطة إلى نقطة من لوحات المصدر إلى الوجهة على طول محور محرك سيرفو خطي يمتد على طول عرض الآلة. يدعم هذا المحور رأس محرك متدرج ثنائي المحور يتحكم في عملية التثبيت. في الواقع، يمكن لحركة XYZ المدمجة تحريك العينات باستخدام حركة حلزونية معقدة. يتحكم محور محرك المتدرج المنفصل في آلية تحميل رؤوس الدبابيس. تتحكم المقابض والدوارات الهوائية في حركات الآلة الأخرى، مثل التقاط رؤوس الدبابيس والتخلص منها في بداية العمليات ونهايتها.

كانت شركة سينجر تنوي في الأصل استخدام محرك هوائي للمحور العرضي الرئيسي، إلا أن هذا التصميم لم يوفر دقة أو سرعة تحديد المواقع المطلوبة، وكان صاخبًا جدًا لبيئة المختبر. عندها بدأ المهندسون في دراسة المحركات الخطية. ابتكرت شركة بالدور محرك سيرفو خطي بدون فرشاة مخصصًا مع تعديلات ميكانيكية على المسار الخطي، مما يسمح بتثبيته عند أطرافه فقط، بدلاً من طوله - وبالتالي يعمل محرك المحرك كمنصة على المحور X تحمل المحورين Y وZ. وأخيرًا، يقلل التصميم المغناطيسي للمحرك الخطي من الترس لضمان حركة سلسة.