המערכת האונטולוגית של רובוטים תעשייתיים, בקיצור, היא חלק החומרה שמהווה את הרובוט עצמו. הוא כולל את המרכיבים העיקריים כגון הבסיס, המותניים, הזרועות, פרקי הידיים ואפקטורי הקצה, הפועלים יחד לביצוע משימות תעשייתיות שונות. מאחורי המבנה המכני הפשוט לכאורה מסתתרת טכנולוגיה מורכבת ביותר ותכנון מדויק.
1.1 מבנה מכני ודרגות חופש
רובוטים תעשייתיים מאמצים בדרך כלל מבנים מכניים מפרקים עם 4 עד 6 דרגות חופש (DOF). ביניהם, 3 דרגות חופש משמשות לשליטה במיקום של אפקטור הקצה, והשאר 1 עד 3 דרגות חופש משמשות לכוונון היציבה והכיוון של אפקטור הקצה. דרגות חופש אלו מאפשרות לרובוטים לבצע משימות עדינות ומורכבות כמו טיפול, ריתוך והרכבה.
ניתן להתאים את האפקטור הקצה (כלומר ה"יד" של הזרוע הרובוטית) לפי תרחישי יישום ספציפיים, מצויד בכלי עבודה שונים כגון אקדחי ריתוך, כוסות יניקה, מפתחות ברגים, רובי ריסוס ועוד. גמישות זו מאפשרת לרובוטים תעשייתיים להתאים את עצמם לצרכים השונים של תעשיות שונות.
1.2 עיצוב מכונות מדויק ובקרה דינמית
מבנה הגוף של רובוטים תעשייתיים לא רק צריך להתחשב בדרישות המכניקה והדינמיקה, אלא גם חייב להיות בעל דיוק גבוה וקשיחות גבוהה. העיצוב של כל רכיב דורש ניתוח דינמי מדויק ואופטימיזציה. אם ניקח את פרק היד כדוגמה, על מנת להגיע להתאמה מורכבת של יציבה, נדרשים מספר מפרקים מסתובבים (בדרך כלל 3 דרגות חופש). הקישור בין המפרקים הללו מייצר רעידות, וכיצד להפחית את הרעידות הללו באמצעות שליטה מדויקת תוך הבטחת הדיוק של תנועת הרובוט הוא אתגר עיצובי.
בנוסף, על מנת להשיג תפעול-דיוק גבוה, רובוטים תעשייתיים דורשים בדרך כלל את דיוק המיקום החוזר של האפקטור הקצה כדי להגיע ל-±0.05 מ"מ או אפילו יותר. דיוק זה חיוני עבור כמה תעשיות מפתח כגון ייצור רכב, הרכבת מוצרים אלקטרוניים וכו'.
1.3 דרישות ביצועים גבוהות לרכיבי ליבה
הביצועים של רובוטים תלויים מאוד ברכיבי הליבה שלהם, כולל מנועי סרוו, מפחיתים ומקודדים. מנועי סרוו הם מקור הכוח לרובוטים, בעוד שמפחיתי דיוק (כגון מפחיתים הרמוניים) אחראים להמרת סיבוב המנוע לתנועת הזרוע הרובוטית, מה שמבטיח שהרובוט יכול לבצע משימות בצורה יעילה ומדויקת. המקודד הוא רכיב מפתח המשמש לזיהוי מיקום הזרוע הרובוטית, מה שמבטיח שניתן לשלוט במדויק על כל מפרק לתנועה.
הקושי הטכני של רכיבי הליבה הללו הוא גבוה יחסית, והעלות מהווה גם את רוב עלות גוף הרובוט. לכן, יצרני רובוטים עושים התאמה אישית גבוהה של רכיבים אלו ואף משתפים פעולה עם ספקים מובילים כדי להבטיח שרובוטים יכולים לעמוד בתקני הביצועים הגבוהים הנדרשים-.
1.4 מדע חומרים וטכנולוגיית ייצור
על מנת לשמור על ביצועים יציבים של רובוטים תעשייתיים במהלך-תפעול ארוך טווח, מבנה הגוף עשוי לרוב מסגסוגת אלומיניום יצוקה מיוחדת או פלדה בעלת חוזק- גבוה. חומרים אלה עוברים עיבוד עיבוד מדויק וטיפול בחום כדי לאזן חוזק, קשיחות וקל משקל, מה שמבטיח שרובוטים יכולים לעמוד בעומסי עבודה-לטווח ארוך.
בנוסף לחוזק החומר עצמו, ביצועי האיטום של המפרק הם גם דרישה עיצובית חשובה ביותר. לדוגמה, רובוטים תעשייתיים דורשים בדרך כלל רמה מסוימת של הגנה כדי למנוע חדירת אבק או נוזלים. פעולות ארוכות טווח בעוצמה גבוהה-יכולות גם לגרום לבלאי של רכיבים, אז איך לבחור חומרים בעלי עמידות בפני שחיקה ולהבטיח זאת באמצעות תהליכים מדויקים הפכה לאתגר טכני נוסף עבור רובוטים.
1.5 אינטגרציה גבוהה והתאמת מערכת
רובוטים תעשייתיים הם לא רק גופים מכניים פשוטים, הם חייבים להיות משולבים מאוד עם מערכות מרובות כגון מערכות בקרה וחיישנים. גוף הרובוט צריך להחליף-נתונים בזמן אמת עם הבקר באמצעות אוטובוס מהיר-(כגון EtherCAT) כדי להתאים במדויק את מצב התנועה שלו.
יחד עם זאת, על מנת להתאים את עצמם טוב יותר לסביבות תעשייתיות מורכבות, רובוטים צריכים לשלב גם חיישנים שונים, כמו חיישני כוח, חיישני ראייה ועוד. חיישנים אלו יכולים לאפשר לרובוטים "לתפוס" את הסביבה הסובבת ולבצע תגובות אדפטיביות. לדוגמה, במהלך ריתוך, רובוטים יכולים להשתמש בחיישני כוח כדי לזהות שינויים בכוח המגע, ובכך לשלוט במדויק על תהליך הריתוך.
גם לתרחישי יישומים שונים יש דרישות שונות לרובוטים. למשימות כמו טיפול, ריתוך והרכבה יש דרישות שונות ליכולת העומס, טווח התנועה והדיוק של רובוטים. לכן, רובוטים תעשייתיים בדרך כלל צריכים להיות מותאמים אישית לפי תרחישי יישום בפועל כדי להבטיח ביצועים מקסימליים בתנאים ספציפיים.
2. סיבות להחלפת רובוטים תעשייתיים בעבודה אנושית: יעיל, מדויק ובטוח
אז, על סמך מה רובוטים תעשייתיים יכולים להחליף עבודה אנושית? התשובה טמונה ביעילות, דיוק ובטיחות שלהם.
2.1 יעילות
רובוטים יכולים לעבוד 24 שעות ביממה ללא הפרעות, מה שמשפר מאוד את יעילות הייצור. במיוחד בכמה משימות שחוזרות על עצמן, רובוטים יכולים להשלים במהירות את עבודתם מבלי להיות מושפעים מגורמים אנושיים כמו עייפות ותנודות רגשיות.
2.2 דיוק
כפי שהוזכר קודם לכן, רובוטים תעשייתיים יכולים להשיג פעולות-בדיוק גבוה, מה שהופך אותם למתאימים במיוחד לתרחישים הדורשים סובלנות קפדנית והפעלה קפדנית. בתעשיות כמו ייצור רכב והרכבה אלקטרונית, רובוטים יכולים להשיג דיוק הרבה מעבר לזה של בני אדם, ומבטיחים מוצרים באיכות גבוהה-.
2.3 אבטחה
רובוטים יכולים להחליף בני אדם בכמה עבודות מסוכנות, כגון ריתוך בסביבות-טמפרטורות גבוהות וטיפול בחומרים רדיואקטיביים. זה לא רק מגן על בטיחות העובדים, אלא גם מפחית תאונות הקשורות לעבודה-, ומבטיח את היציבות והיעילות של תהליך הייצור.
למרות שרובוטים תעשייתיים החליפו את העבודה האנושית בתחומים רבים והשלימו מספר רב של משימות כבדות, ההתפתחות הטכנולוגית שלהם עדיין מתקדמת ללא הרף. עם התקדמות מתמשכת של טכנולוגיות כגון בינה מלאכותית, האינטרנט של הדברים וביג דאטה, רובוטים תעשייתיים עתידיים יהפכו לאינטליגנטיים יותר, בעלי יכולת שיפוט אוטונומית,-קבלת החלטות ושיתוף פעולה עם מכשירים אחרים כדי להשיג מצבי ייצור יעילים יותר.
רובוטים תעשייתיים לא נועדו להחליף לחלוטין את העבודה האנושית, אלא לעבוד בשיתוף פעולה הדוק עם בני אדם, לשחרר עבודה אנושית ולאפשר לבני אדם להתמקד יותר ביצירתיות, בקבלת החלטות-ובעבודה- גבוהה יותר. בעידן של Industry 4.0, רובוטים הם הגשר בין טכנולוגיה לפרודוקטיביות, והכוח המניע הליבה לשינוי של תעשיית הייצור המודרנית.