أنظمة تحديد مواقع الروبوتات عبارة عن مسارات طويلة في المستودعات، ومنشآت الفضاء والسيارات، لتمكين روبوت واحد من أداء مهام متعددة. تُعرف أيضًا بوحدات نقل الروبوتات (RTUs) أو أنظمة المحور السابع، وتزداد شيوعًا هذه التصاميم الحركية في عمليات التجميع، واللحام على نطاق واسع، والتخزين.

على عكس التركيبات التقليدية التي يُثبّت فيها الروبوت على الأرض، تُحرّك وحدات التحكم عن بُعد الروبوتات عبر خلايا العمل والمصانع، وتُنقلها بين المحطات. أفضل تركيبات وحدات التحكم عن بُعد هي تلك التي لا تزال قيد الإنشاء، أو تلك التي يُمكن فيها وضع العمليات والآلات المرتبطة بها في صفّ مستقيم. عندما تُحرّك وحدات التحكم عن بُعد الروبوتات ذات المحاور الستة، تُسمّى المسارات الخطية أحيانًا المحور السابع (أو، في حالات أقل شيوعًا، عندما يكون للروبوت نفسه سبع درجات حرية، المحور الثامن). عندما تكون هذه المسارات جزءًا من إطار، بما في ذلك الإطارات التي يتدلى منها الروبوت، تُسمّى جسورًا.

بغض النظر عن شكل الروبوت أو المسار، فإن الهدف من المحور الإضافي هو إضافة حركة انتقالية. هذا إما يُوسّع نطاق العمل أو يُمكّن الروبوت من نقل قطع العمل أو الأدوات. في بعض الترتيبات، يُمكّن الأول الروبوت من العناية بآلات متعددة أو التقاط المنصات من صفوف، أو تشغيل مكونات كبيرة جدًا. أما الثاني، فتُستخدم فيه تطبيقات شائعة مثل التعبئة، واللحام، والقطع بقوس البلازما، وغيرها من المهام الميكانيكية.

نركز هنا على خيارات تشغيل وحدات التحكم عن بُعد. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أنه يجب على المهندسين أيضًا الاختيار بين مجموعة من الأدلة والمحامل (عادةً ما تكون على شكل متابعات كامات أو أدلة جانبية).

تتوفر خيارات التصميم والقيادة لوحدات التحكم عن بعد (RTUs) بكثرة
على الرغم من أن بعض الرافعات الجسرية تتضمن إطارات لقلب الروبوتات وتعليقها لتسهيل الوصول إلى الآلات من الأعلى، إلا أن وحدات التحكم عن بُعد (RTUs) التي تُثبّت على الأرض وتُوجّه الروبوت في وضع مستقيم هي الأكثر شيوعًا. تتميز هذه الوحدات بحمولات أعلى في المتوسط، حيث تحمل أذرع روبوت وحمولات قابضة تزن آلاف الأرطال.

يمكن للمهندسين شراء وحدات تحكم عن بُعد مُصممة مسبقًا أو تصنيعها داخليًا بالاستعانة بخبرة في أنظمة الحركة. أبسطها أزواج المسارات الخطية التي تحمل منصات يُثبّت عليها الروبوت. ومع ذلك، يستعين العديد من مُصنّعي المعدات الأصلية (OEM) بمُدمجين مُتخصصين في الحالات التي تُؤدي فيها الروبوتات المُثبتة على وحدات التحكم عن بُعد مهامًا عالية الدقة، مثل مهمة القطع (حيث يجب أن يُزامن التصميم حركة محاور متعددة) أو نقل المسبوكات عبر أدوات آلية مُختلفة للمعالجة.

التحدي الأكبر الذي يواجه هندسة وحدات نقل الروبوتات هو برمجتها لتتزامن مع حركة أذرع الروبوت التي تحملها. أما التحدي الثاني فهو جعل وحدات نقل الروبوتات تحافظ على حركة خطية دقيقة على مسافات طويلة.

تلبية المتطلبات البدنية للضربات الطويلة
أحيانًا تكون السرعة هي الهدف الأسمى لتصميم وحدات التحكم عن بُعد. وينطبق هذا بشكل خاص عندما تحمل هذه الوحدات الروبوتات لمسافة تزيد عن بضع مئات من الأقدام أو حتى أكثر في إعدادات خاصة. السرعة العالية في سياق الروبوتات المتحركة - أحيانًا أذرع تزن آلاف الأرطال بالإضافة إلى حمولاتها - نسبية. ومع ذلك، يمكن لبعض وحدات التحكم عن بُعد التحرك بسرعة تزيد عن 10 أقدام في الثانية بتسارع يصل إلى وحدة جي واحدة.

لكن غالبًا ما تكون الدقة هي الهدف الأسمى لتصميم وحدة التحكم عن بُعد. لنفترض مثلاً تطبيقًا يساعد فيه روبوت خلية عمل تعاونية في التشغيل الآلي. هنا، لا تُعدّ السرعة وامتداد نطاق عمل الروبوت مفيدًا إلا إذا كان الإطار المحيط قادرًا على الحفاظ على الدقة. غالبًا ما تتطلب هذه التصاميم دقة تصل إلى 0.02 مم وقابلية تكرار تحديد المواقع تصل إلى 0.2 مم تقريبًا أثناء حركات المسار.

في المقابل، إذا استخدم تطبيق ذراع روبوت لتطبيقات تتطلب تحكمًا تكيفيًا دقيقًا، ولكنها أقل اعتمادًا على الدقة المطلقة، فقد تنجح إعدادات أخرى. قد يكون هذا حتى مركبة متنقلة مزودة بذراع روبوت، على سبيل المثال، لتفريغ حاويات الشحن.

بغض النظر عن التصميم، فإن قلة الصيانة وطول العمر التشغيلي أساسيان لجميع وحدات التحكم عن بُعد (RTU)، لأنها عادةً ما ترتبط بأكثر من وظيفة في المصنع وعدة آلات أخرى. لذلك، غالبًا ما يؤدي توقف وحدة التحكم عن بُعد (RTU) إلى توقف محطات أخرى عن العمل.

كما أن السلامة المتكاملة مهمة أيضًا لأن العديد من وحدات التحكم عن بعد تنقل الروبوتات عبر حقول مأهولة بمعدات باهظة الثمن مثل أدوات الآلات أو حتى العمال - وخاصة حيث تعمل حول مناطق بها أفراد تجميع.

الأحزمة والبراغي والهوائيات لوحدات التحكم عن بعد
غالبًا ما تستخدم رافعات الروبوتات التي تقطع مسافات خطية متوسطة المدى محركاتٍ مُزوَّدة بأنظمة دفع بالأحزمة. هذه أنظمة بسيطة نسبيًا تستخدم بكراتٍ تُدار بمحركات كهربائية لتوليد شدٍّ على طول الحزام والتسارع بسرعة. ومع ذلك، مع وصولها إلى أشواط أطول، قد تنشأ مشاكلٌ تتعلق بترهل الأحزمة إذا لم يتمكن النظام من الحفاظ على الشد على طولها بالكامل. للتوضيح، لا تكمن المشكلة في محدودية الحمولة، بل في خطر فقدان الحركة نتيجةً لتوافق الحزام.

هناك استثناءات لشرط قابلية التوسع. في بعض وحدات التحكم عن بُعد (RTUs)، تُشغّل محاور الأحزمة (المُدارة من عمود دفع مشترك) كرنكات توافقية. في هذه الحالة، يُمكن لوحدات التحكم عن بُعد (RTUs) الحفاظ على الدقة لتحديد المواقع الروبوتية في أشواط طويلة في ظل الظروف المناسبة. تستخدم معظم وحدات التحكم عن بُعد (RTUs) الناجحة التي تُشغّل بالأحزمة مسارات تأطيرية وخطية في اتجاهات متكاملة لتحقيق دقة أعلى من الإعداد المُشغّل بالأحزمة. بعض هذه الوحدات المُزوّدة بمشغلات سكك تُشغّل بالأحزمة يُمكنها الحفاظ على قابلية تكرار تصل إلى ± 0.001 بوصة، حتى عند تحريك روبوتات وزنها طن واحد لمسافة عشرات الأقدام. هنا (بفضل القضبان المُناسبة)، تُتيح المشغلات التي تُشغّل بالأحزمة وحدات تحكم عن بُعد (RTUs) أرخص وأكثر مرونة من البدائل.

خيار آخر للمحور السابع هو محور مُدار ببرغي كروي. يعالج هذا الإعداد الاهتزازات والزنبركات التي قد تنشأ في محركات الأحزمة. في الأساس، يحافظ عنصر ميكانيكي ثابت على التحكم لضمان دقة الإيقاف والوضع.

تعمل لوالب الكرات بشكل جيد في التركيبات التي يصل طولها إلى حوالي ستة أمتار بمساعدة دعامات محامل متقطعة. أما في المحاور الأطول، فتكمن المشكلة الرئيسية في اهتزاز اللوالب بسرعات عالية، خاصةً إذا لم تحصل على دعم كافٍ. ويرجع ذلك إلى أن أعمدة لوالب الكرات تنحني تحت تأثير وزنها. ثم عند السرعة الحرجة (التي تعتمد على قطر عمود اللولب، واستقامته، ومحاذاته، وطوله غير المدعوم)، تُثير الحركة التردد الطبيعي للعمود. وبالتالي، تنخفض السرعة القصوى مع زيادة طول لولب الكرات.

تستخدم بعض التركيبات كتل محامل تنفصل وتنهار معًا، ثم تبقى وتدعم البرغي لتمديد أطول دون انزلاق. ومع ذلك، بالنسبة للمسارات الطويلة جدًا التي تعمل بالبراغي الكروية، يجب على المصنّعين وصل براغي متعددة (عادةً باستخدام الغراء بدلًا من اللحام لتجنب تشوه الشكل الهندسي). وإلا، يجب أن يكون للبرغي قطر كبير جدًا لمعالجة مشكلة الانزلاق. تصل أشواط بعض هذه التركيبات القائمة على البرغي الكروي إلى 10 أمتار وتصل سرعتها إلى 4000 دورة في الدقيقة. تحذير آخر: تحتاج البراغي في مسارات الروبوت إلى حماية من الأوساخ والحطام. ومع ذلك، في أماكن عملها، تتحمل وحدات التحكم عن بُعد (RTUs) التي تستخدم محركات كهربائية مقترنة بالبراغي الكروية أحمالًا أكبر من المحاور التي تعمل بالسير.

تتوفر أيضًا طاقة سائلة للإعدادات طويلة الشوط. عادةً ما تُعد وحدات التحكم عن بُعد الهوائية هذه حلاً منخفض التكلفة للتطبيقات التي تتطلب فقط تحديد موقع ثنائي الاتجاه ذهابًا وإيابًا. تتحرك هذه الوحدات بسرعة متوسطة تبلغ مترين في الثانية، وتتكامل مع أدوات تحكم أخرى في الروبوت.

محركات خطية لوحدات التحكم عن بعد الدقيقة
وحدات التحكم عن بُعد طويلة الشوط (المُستخدمة في الروبوتات المخبرية، على سبيل المثال) يمكنها استخدام محركات خطية. كما تتضمن معظم هذه الوحدات إلكترونيات متطورة، ومُشفِّرات مطلقة، وأنظمة تحكم في الحركة لتتبع المحاور، حتى بعد حدوث أخطاء أو توقفات.

يبلغ مدى المحرك الخطي عادةً حوالي أربعة أمتار. يُعد هذا المدى مناسبًا أكثر لعمليات الالتقاط والوضع ومعالجة رقائق أشباه الموصلات منه لتطبيقات وحدات التحكم عن بُعد (RTU) الأثقل. باختصار، تُشكل المحركات الخطية في وحدات التحكم عن بُعد تحديًا كبيرًا نظرًا لدقتها الميكانيكية العالية، إلا أنها تتطلب حمل حمولات ثقيلة. هذا يتطلب استخدام المزيد من المغناطيسات الدائمة باهظة الثمن التي تُمكّن المحركات الخطية من الأداء الممتاز.

هناك استثناءات. تم تشغيل وحدة تحكم عن بُعد (RTU) واحدة، مسجلة رقمًا قياسيًا عالميًا، مزودة بمحركات خطية مترادفة، وصُنعت خصيصًا لتركيب أتمتة يتطلب حركات دقيقة تصل إلى 12 مترًا. تعمل قضبان الدعم المصنوعة من الألومنيوم الصلب مع محامل كروية خطية معادة التدوير بستة صفوف، بالإضافة إلى مجموعات توجيه. ينتج محركان خطيان متزامنان ذوا شقين قوة تصل إلى 4200 نيوتن.

مجموعات الرف والترس لوحدات التحكم عن بعد
وحدات التحكم عن بُعد (RTUs) المتوفرة تجاريًا والتي تستخدم مجموعات رف وترس هي الأكثر شيوعًا. تصل أطوالها النموذجية إلى 15 مترًا. يُدمج التحكم في الوحدة الخطية كمحور مُقترن رياضيًا في وحدة تحكم الروبوت، مما يُغني عن وحدة تحكم إضافية. تحافظ العديد من وحدات التحكم عن بُعد هذه على دقتها حتى أشواط 30 مترًا من خلال إقران محرك سيرفو تيار متردد بدون فرشاة وعلبة تروس كوكبية مع مجموعات رف وترس حلزونية أرضية. تستخدم إعدادات أخرى عربة تتحرك على سكة ذات حافة واحدة على بكرات متينة في كتلة. في هذه الحالة، تكون القضبان عادةً مستطيلة الشكل مع رف مقطوع في حافة داخلية. يمكن ربط هذه القضبان بأجزاء منحنية حيث يكون هذا التصميم مفيدًا.

بعض وحدات التحكم عن بُعد (RTUs) التي تُحرّك الروبوت على منصة الحركة تستخدم قضبانًا مسطحة مصنوعة من الفولاذ المُقوّى، وتُقرنها بمجموعات من مُتابعات الكامات. بينما تستخدم وحدات أخرى محركًا كهربائيًا مزودًا بمُخفّض شطبة حلزوني وحزام لتشغيل المنصة. ثم على محور المكوك الطويل، تُزوّد ​​وحدة التحكم عن بُعد (RTU) بمحرك تروس كهربائي يُحرّك ترسًا صغيرًا يُشغّل رفًا.

محاكاة وبرمجة وحدات التحكم عن بعد
توجد أدوات تُمكّن المهندسين من تخطيط مسارات وحدات التحكم عن بُعد (RTUs) وتنسيقها مع وظائف الروبوت. تُمكّن برامج محاكاة الروبوتات، وحتى بعض وحدات التحكم بالحركة، المهندسين من تخطيط المسارات، وتحميل البرنامج الناتج على وحدة تحكم، ثم التحكم في الروبوت ووحدة التحكم عن بُعد (RTU) باستخدام هذه القطعة من الأجهزة.

خيار آخر هو برامج من شركات برمجيات متخصصة تبيع مجموعات تطوير الروبوتات، والتي تسمح ببرمجة معظم أنواع الروبوتات من خلال واجهات برمجة التطبيقات. 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. عادةً ما تتم عمليات التصميم الأولية من خلال برمجة الكمبيوتر دون اتصال بالإنترنت. ثم عندما يقوم الموظفون بتثبيت الروبوت ووحدة التحكم عن بُعد (RTU)، يُنشئ برنامج البرمجة شيفرة تُحمّل على عناصر التحكم. يُحرك البرنامج وحدة التحكم عن بُعد والروبوت عبر مسارات مُبرمجة لاختبار المشاكل. بعد ذلك، يستخدم المُثبِّت مُعلِّقًا لوضع ماسك الروبوت أو قاطعه أو المُستقبِل النهائي في نقاط مُحددة للمهمة في الفضاء بينما تُسجِّل وحدة التحكم الحركات. بخلاف ذلك، يُمكن للمُثبِّتين استخدام مُعلِّق للإعداد بالكامل ثم تحسين المسارات في الواجهة الخلفية - وهو نهج 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 (RTUs) غالبًا ما تُجري حركات متكررة ولكنها غير دقيقة، مما يُنتج حركة ناتجة تختلف عن تقريبات المحاكاة. يبلغ متوسط ​​تكرار حركة الروبوتات الصناعية وحدها في اتجاه واحد 0.1 مم إلى 0.01 مم. عادةً ما تُقرن المحاور برأس تروس ومحرك بدون ارتداد عكسي، ويتتبعها جهاز تحكم باستخدام مُشفرات عالية الدقة. يُعدّ تحسين دقة حركة الناتج أكثر من ذلك مكلفًا، حيث تُسبب التجميعات والمكونات، مثل التروس، فقدانًا في الحركة (غالبًا بسبب التوافق الميكانيكي). لذلك، غالبًا ما يجب على أجهزة التحكم تعويض خطأ الموضع بمقياس ملليمتر في بعض الحالات.

تستخدم معايرة الروبوتات التقليدية محاذاة ليزرية مكلفة. أحيانًا، يمكن أن يقلل هذا من خطأ الإخراج بمقدار عشرين ضعفًا. بخلاف ذلك، يقدم مصنعو الروبوتات معايرة المصنع. كما تقدم شركات معايرة الروبوتات المتخصصة خدمات يمكنها مراعاة تأثير وحدة التحكم عن بُعد (RTU) المضافة على دقة إخراج الروبوت الإجمالية. بخلاف ذلك، تتيح أجهزة الاستشعار ثنائية الكاميرات فحصًا دقيقًا وقياسًا ديناميكيًا عبر البصريات والإضاءة الخاصة. تُعد أوضاع المعايرة الميكانيكية خيارًا آخر، على الرغم من صعوبة تطبيقها على الروبوتات على المسارات الطويلة.