يُعدّ تصميم أنظمة أتمتة شاملة لتطبيقات الالتقاط والوضع عالية السرعة من أصعب المهام التي تواجه مهندسي الحركة. فمع ازدياد تعقيد الأنظمة الروبوتية وارتفاع معدلات الإنتاج باستمرار، يجب على مصممي الأنظمة مواكبة أحدث التقنيات لتجنب تصميم غير مثالي. دعونا نستعرض بعضًا من أحدث التقنيات والمكونات المتاحة، ونلقي نظرة فاحصة على استخداماتها.

أذرع الروبوت تناسب التصاميم المدمجة

لا تُعرف أذرع الروبوتات الصناعية عادةً بخفة حركتها، بل تتميز معظمها بهياكل ضخمة تتحمل أدوات ثقيلة في نهايتها. ورغم مزايا التصميم المتين، إلا أن هذه الأذرع الروبوتية ثقيلة وكبيرة الحجم بالنسبة للتطبيقات الدقيقة. ولجعل الأذرع أكثر مرونة وملاءمة للمهام الخفيفة، شرع مهندسون من شركة igus Inc.، العاملة في كولونيا بألمانيا، في تطوير مفصل متعدد المحاور يسمح للأحمال الصغيرة بالدوران حول ذراع الرافعة. يُعد هذا المفصل الجديد مناسبًا تمامًا لتطبيقات الالتقاط والوضع الدقيقة، حيث يمكن تعديل قوة القبضة حسب الحاجة.

تُعدّ المرونة وخفة الوزن من أهمّ معايير تصميم المفصل الجديد، الذي يتكوّن من البلاستيك ووحدات تحكّم سلكية. باختصار، تُحرّك الكابلات من مفصل كتف الذراع بواسطة محركات سيرفو FAULHABER المدمجة عديمة الفرشات، مما يمنع القصور الذاتي في الذراع، ويُسهّل الحركة الديناميكية، ويُقلّل من حجم التصميم.

استند المهندسون في تصميمهم بشكل كبير على مفصل الكوع البشري، لذا تم دمج درجتي حرية - الدوران والالتفاف - في مفصل واحد. وكما هو الحال في الذراع البشرية، فإن أضعف جزء في ذراع الروبوت ليس العظام (الأنبوب الهيكلي) أو العضلات (محرك الدفع)، بل الأوتار التي تنقل الطاقة. هنا، تُصنع كابلات التحكم عالية الشد من مادة البولي إيثيلين فائقة القوة (UHMW-PE) التي تتميز بقوة شد تتراوح بين 3000 و4000 نيوتن/مم². وإلى جانب وظائف ذراع الروبوت التقليدية، مثل تطبيقات الالتقاط والوضع، يُعد هذا المفصل مناسبًا أيضًا لتركيبات الكاميرات الخاصة، وأجهزة الاستشعار، أو الأدوات الأخرى التي تتطلب تصميمًا خفيف الوزن. ويحتوي كل مفصل على مستشعر مغناطيسي لتحديد الزاوية لضمان دقة عالية.

تتميز محركات المؤازرة ذات التبديل الإلكتروني بكتلة متحركة منخفضة مناسبة للاستخدام الديناميكي: تم تصميم جهد التشغيل 24 فولت تيار مستمر ليعمل مع البطاريات، وهو أمر بالغ الأهمية للاستخدام في التطبيقات المتنقلة، بينما يزيد عزم دوران المحرك البالغ 97 ملي نيوتن متر من رؤوس التروس الكوكبية المتوافقة مع القطر إلى القيم المطلوبة لتشغيل الذراع. علاوة على ذلك، لا تحتوي هذه المحركات عديمة الفرش على أي مكونات قابلة للتآكل باستثناء محمل الدوار، مما يضمن عمرًا تشغيليًا يصل إلى عشرات الآلاف من الساعات.

نظام الحركة الخطية يُسرّع أتمتة المختبرات

إلى جانب عمليات التعبئة والتغليف والتجميع التقليدية، ينتشر استخدام تقنية الانتقاء والوضع في أتمتة المختبرات عالية السرعة. تخيّل التعامل مع ملايين عينات البكتيريا يوميًا، وستتكوّن لديك فكرة عمّا يُتوقع من مختبرات التقنية الحيوية اليوم القيام به. في أحد التطبيقات، يمكّن نظام حركة خطية متطور روبوتًا مختبريًا للتقنية الحيوية يُدعى RoToR من تثبيت مصفوفات الخلايا بسرعات قياسية تتجاوز 200,000 عينة في الساعة. RoToR من إنتاج شركة Singer Instruments في سومرست، المملكة المتحدة، ويُستخدم كنظام أتمتة مكتبي لأبحاث علم الوراثة، وعلم الجينوم، والسرطان. غالبًا ما يخدم أحد هذه الروبوتات عدة مختبرات مختلفة، حيث يحجز العلماء فترات زمنية قصيرة لتكرار، وتهجين، وإعادة ترتيب، ونسخ مكتبات البكتيريا والخميرة احتياطيًا.

يتولى جهاز تحكم يعمل في الوقت الحقيقي إدارة محاور الحركة الثلاثة التي تُنسق حركات تثبيت الروبوت من نقطة إلى أخرى، بالإضافة إلى محور معالجة العينات، كما يتفاعل مع واجهة المستخدم الرسومية للروبوت. علاوة على ذلك، يدير جهاز التحكم جميع قنوات الإدخال/الإخراج.

إلى جانب وحدة التحكم، زودت بالدور الروبوت بمحرك سيرفو خطي ووحدة تحكم، وثلاث وحدات متكاملة لمحركات الخطوة ووحدات تحكم. يقوم الروبوت بنقل المواد من نقطة إلى أخرى بين لوحتي المصدر والوجهة على طول محور محرك السيرفو الخطي الذي يمتد على عرض الجهاز. يدعم هذا المحور رأس محرك خطوة ثنائي المحور يتحكم في عملية التثبيت. في الواقع، يمكن لحركة المحاور الثلاثة (XYZ) مجتمعة تحريك العينات بحركة حلزونية معقدة. يتحكم محور محرك الخطوة المنفصل في آلية تحميل رؤوس الدبابيس. تتحكم مقابض ومحركات دوارة تعمل بالهواء المضغوط في حركات أخرى للجهاز، مثل التقاط رؤوس الدبابيس والتخلص منها في بداية ونهاية العمليات.

كانت شركة سينجر تعتزم في الأصل استخدام محرك هوائي للمحور العرضي الرئيسي، لكن هذا التصميم لم يوفر دقة تحديد المواقع أو السرعة المطلوبة، وكان مزعجًا للغاية بالنسبة لبيئة المختبر. عندها بدأ المهندسون بالتفكير في المحركات الخطية. ابتكرت شركة بالدور محركًا خطيًا مؤازرًا بدون فرشات مع تعديلات ميكانيكية على المسار الخطي، مما يسمح بدعمه من طرفيه فقط، بدلًا من دعمه على طوله - بحيث تعمل قوة المحرك كجسر محوري X يحمل المحورين Y وZ. أخيرًا، يقلل تصميم مغناطيس المحرك الخطي من التذبذب لضمان حركة سلسة.