Компактные роботы и взаимодействие человека с роботом являются сегодня одними из самых популярных направлений в робототехнике. Однако компактность и малый вес новых роботов бросают вызов технологиям подключения, так как кабели и соединители должны быть адаптированы под них. Есть несколько способов.
Крупные промышленные роботы сформировали образ отрасли робототехники на десятилетия: заключённые в решетчатом корпусе, их мощные роботизированные руки двигаются назад и вперёд, приваривая кузовные части автомобиля друг к другу. Но этот образ меняется. Их преемники становится все меньше, они больше не отгорожены защитной решёткой, но, наоборот, работают вместе с людьми рука об руку. Легкие роботы предназначены для быстрой адаптации к новым задачам, например, для работы с ручным управлением. Цель состоит в том, чтобы сделать производство настолько гибким, чтобы армада автоматизированных рук смогла в один день собрать смартфон, а на следующий отсортировать яйца и проверить их на наличие трещин. Пилотные проекты уже существуют в автомобильной промышленности, где роботы передвигаются по заводу между рабочими станциями и сами ищут себе работу. Такие роботы могли бы в будущем полностью собирать автомобили. И это при условии минимальной партии производства в одну штуку, так что каждый конечный продукт будет индивидуален и изготовлен согласно требованиям заказчика.
Лёгкие роботы — лёгкие кабели
Но это пока только фантазии. В действительности, производители роботов должны преодолеть самые реальные препятствия. Например, проводка, — компактным и лёгким роботам, конечно, нужны кабели для питания приводов электроэнергией, открытия и закрытия захватов, передачи данных с датчиков и камер. Эти кабели должны быть и место- и весосберегающими. Если сравнить обычного крупного промышленного робота с одним из новых лёгких и малогабаритных роботов, в большинстве случаев, снаружи разницы вы не заметите. Кабели установлены внутри манипуляторов. Если бы они были снаружи, то постоянно бы мешали взаимодействию с людьми в условиях ограниченного пространства. Но это не умаляет проблемы, связанной с прокладкой кабелей. Если кабели снаружи робота должны выдерживать малые радиусы изгиба, внутри радиусы становятся ещё меньше, так как кабели проходят ближе к осям внутри манипулятора робота и почти перегибаются.
Сечение медных жил
К счастью, существует несколько вариантов изготовления более компактных и надёжных кабелей, которые смогли бы выдержать малые радиусы изгиба. Тем не менее, диаметр медного сечения кабелей определяется техническими требованиями для серводвигателей или устройств, которые находятся под напряжением, поэтому уменьшить это сечение невозможно. Однако тщательный отбор подходящих кабелей может сэкономить пространство. У компактных роботов двигатели меньшего размера, поэтому они требуют меньше энергии и, следовательно, меньшего сечения жил. Проектировщики должны отказаться от принципа «больше — лучше» и не использовать слишком большие серво кабели, которые используются в больших роботах с более мощными сервомоторами. То же самое относится и к кабелям передачи данных: если будут сканироваться только несколько датчиков, которые передают простые двоичные сигналы, например, датчики положения, то быстрый кабель Ethernet CAT 6A не потребуется, — кабеля CAT 5 будет достаточно в таких случаях. Кроме этих вариантов существует ещё несколько других факторов, облегчающих прокладку кабеля:
— Изоляция. Она предотвращает короткие замыкания между проводами и оказывает значительное влияние на свойства передачи данных, особенно для линии передачи данных для промышленных шин и сетей Ethernet. Кабели передачи данных, имеющие хорошие свойства передачи, должны иметь малую ёмкость. Ёмкость определяется расстоянием между проводами и изоляционным материалом, который носит название диэлектрика. Лучшим диэлектриком будет воздух или вообще вакуум. Конечно, невозможно произвести кабель из вакуума или воздуха, поэтому в качестве изоляции должен использоваться материал с низкой диэлектрической постоянной. Проверенным материалом является PE (полиэтилен). Для того чтобы в дальнейшем улучшить свойства передачи данных PE, например, если речь идёт о кабелях с высококачественной передачей данных, полиэтилен вспенивается в процессе экструзии. Регулируя количество газа, введённого в процессе производства, можно точно установить такие характеристики, как ёмкость и сопротивление. Тонкий, оптимизированный, малогабаритный кабель может быть произведён путём правильной настройки параметров, толщины изоляции и объёма газа.
Переменная длина скрутки
— Скрутка. Для того чтобы понять, что это значит, представьте себе заплетённую косу. Чем туже её заплетать, тем толще она становится. Если вы просто возьмёте тот же пучок волос, т. е. в виде хвостика, то он будет значительно тоньше. Нечто подобное происходит и с нитями меди в скрутках. Тонкие металлические провода скручены, потому что это улучшает гибкость. Если все нити и все провода будут находиться параллельно друг другу, с внешней стороны медные провода будут натягиваться при каждом изгибе кабеля, а с внутренней — сжиматься. Таким образом, кабель станет крайне жёстким. Толщину и гибкость можно регулировать длиной скрутки, учитывая расстояние между витками провода. Если длина больше, следовательно, меньше витков, то кабель получается тоньше. Компания Lapp разработала жилы для передачи электроэнергии с особой (большей) длиной скрутки специально для производителей компактных роботов. В случае, когда речь идёт о кабелях передачи данных, витая пара улучшает процесс передачи данных, делая его безошибочным.
Также появились изменения в задачах, которые кабель должен осуществлять. В классической робототехнике передача сигнала, контроля, питания для серводвигателей, а также информации от простых датчиков осуществляется параллельной проводкой. Для более быстрого соединения, когда должны быть переданы большие объёмы данных, все чаще применяются кабели для последовательной передачи данных. Это, как правило, кабели Ethernet CAT 5 со скоростью передачи данных до 100 Мбит/с. Для компактных роботов эти линии строятся в виде звёздной четвёрки. Две пары проводов скручены внутри оболочки так, что они занимают меньше места по сравнению с вышеупомянутой попарной скруткой, и в течение длительного времени выдерживают различные движения, такие как сгибание и скручивание.
Звезда в центре
Другая ситуация, когда робот имеет много датчиков и даже камеру, например, для распознавания деталей или для контроля качества. Тогда кабелей со скруткой в виде звёздной четвёрки уже недостаточно, потому что всего две пары проводов не могут справиться с огромным объёмом данных. В этом случае, кабели Ethernet CAT 6A — это лучший выбор. Они передают данные со скоростью до 10 Гбит/с. Конструкция кабелей представлена четырьмя парами жил, скрученными попарно. Это означает, что требования к занимаемому пространству, конечно, больше, чем в случае с звёздной четвёркой. Кроме того, между четырьмя парами проводов вставляется пластиковый сердечник в форме креста. Он держит пары врозь, что гарантирует неизменность их положения во время движения. Перекрёстные помехи между парами проводов уменьшатся. Это делает кабель пригодным для применения в роботехнике.
Оптоволокно
Оптоволоконные кабели всё ещё являются нишевым продуктом в робототехнике. Для случаев, когда требуются очень высокие скорости передачи данных, они могут служить альтернативой, хотя на практике скорость передачи данных медных кабелей, в основном, является достаточной. Использование оптоволоконных кабелей становится актуальным, когда сильные и импульсивные токи протекают в непосредственной близости друг от друга. Это может помешать передаче данных на линии электропередачи и привести к сбоям. Например, в непосредственной близости от сварочных роботов, которые работают с очень большими токами. Широко распространённое предположение, что оптоволоконные кабели не подходят для подвижного применения, является в данном случае ошибочным. Волокна, сделанные из стекла или пластика, могут быть использованы для гибкого применения при условии соблюдения минимальных радиусов изгиба. Это может служить ограничивающим фактором в использовании стекловолокна при производстве малогабаритных роботов. В этих случаях синтетические волокна являются лучшим выбором, хотя, имея скорость передачи данных в 100 Мбит/с, они работают не быстрее, чем стандартные кабели, сделанные из меди, однако имеют существенное преимущество — иммунитет к электромагнитным полям.
Эволюция соединителей
Потребность производителей роботов в более компактных кабелях также оказывает влияние на соединители. Большие роботы управляются из шкафа управления через линию питания, которая обычно подключается к ноге робота с помощью промышленного прямоугольного соединителя или же цилиндрического соединителя М23 в небольших роботах. Здесь важна гибкость и многофункциональность. Если, например, робот оборудован камерой для контроля качества, соединитель должен быть в состоянии обеспечить передачу данных. В этом случае необходимы модульные соединители, такие как легко расширяемая система соединителей EPIC MH от Lapp. Она может быть собрана из различных модулей с широким набором функций. В систему подключения могут быть включены все виды сменных модулей для передачи энергии, сигналов и данных. При добавлении новой функции модуль просто заменяется или вставляется другой. Это является особенно выгодным для отраслей, которые в настоящее время быстро развиваются, например, для пищевой промышленности. Для инновационных производителей компактных роботов, компания Lapp Group разработала специальный соединитель. Требовалось, чтобы он экономил время монтажа, гармонично вписывался в дизайн робота, имел превосходные свойства электромагнитной совместимости, был приспособлен для передачи данных Ethernet, а также взял на себя функции уменьшения натяжения кабеля и, конечно, соединитель должен был иметь привлекательную цену. Компания Lapp решает задачу с помощью модифицированного цилиндрического соединителя М23.
Энергия и данные передаются в манипулятор робота через кабели, подключенные цилиндрическими соединителями М23. Для небольших роботов этот стандарт был сокращён до малых размеров М17 и М12. Последний из названных становится всё более популярным. Если соединитель должен быть ещё меньше, например, для роботов с исключительно внутренней прокладкой кабелей, то он, впрочем, становится уже не очень практичным. В этом случае кабели частично подключатся малыми штекерами, как, например, при подключении печатных плат.
Тренд на производство готовой продукции
Если речь идёт об установке кабелей в шкафах управления, то спрос явно движется в сторону готовых продуктов, таких, какие Lapp предлагает в ассортименте ÖLFLEX® CONNECT. Если клиенту необходима прокладка кабеля снаружи или внутри робота, он чаще заказывает кабели, продаваемые на метры. Но с недавних пор начали поступать запросы на готовые изделия.
Гибридные кабели являются трендом в прокладке кабелей в оборудовании. Они содержат все необходимые кабели, иногда пневматические и гидравлические шланги, и всё это в одной оболочке. Однако эта концепция не подходит для компактных роботов. Из-за плотной последовательности точек соединения до шести серводвигателей, а также датчиков, нет смысла объединять их в одну оболочку.
Источник изображения: Comau
Компактные роботы — на фото «Racer» итальянского производителя Comau — всё чаще используются в промышленности для различных операций. Это означает, что требования к компонентам, таким как кабели, возрастает.
На стенде Lapp Group на выставке в Ганновере Hanover Messe 2016, посетители были удивлены точности попаданий в корзину при игре в баскетбол, которую продемонстрировал робот Comau Racer.
Для того чтобы улучшить изоляцию и уменьшить размеры кабелей передачи данных, изоляционный материал вспенивается в процессе экструзии.
Франк Ротермунд, менеджер по рынку робототехники, U.I. Lapp GmbH
