Дельта-робот: скоростной промышленный робот для сортировки и упаковки

Дельта-робот — манипулятор с параллельной кинематикой. ГОСТ Р 60.0.0.4-2023 называет такие машины роботами с параллельной структурой: их руки имеют звенья, которые образуют замкнутые кинематические контуры ¹. В дельта-роботе три таких контура. Каждый связывает неподвижное основание с лёгкой подвижной платформой, на которой висит захват.

Задачи у него те же, что у шарнирного манипулятора или SCARA: это такой же промышленный робот, только двигается он по другой схеме. Идею предложил профессор Реймон Клавель и сам назвал машину Delta ³. В русскоязычных каталогах её называют также промышленным роботом delta или параллельным роботом, а название пишут и без дефиса: дельта робот. Промышленный дельта-робот чаще всего подвешивают над конвейером ⁶⁷.

Главное отличие видно, если сравнить его с последовательной схемой, где каждое звено несёт следующее вместе с его двигателем. Патент Клавеля объясняет, чем за неё платят: двигатели приходится ставить на каждую ось или городить тяжёлую трансмиссию, так что даже ради малого груза робот разгоняет большие массы ⁴. У дельта-робота моторы закреплены на основании, а двигаются только рычаги, штанги и платформа ³. Отсюда скорость, ради которой его и покупают.

В начале 1980-х профессор Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) Реймон Клавель придумал строить параллельный робот на параллелограммах: с тремя поступательными и одной вращательной степенью свободы ³. Приоритет его патента датирован 16 декабря 1985 года ⁴. Конструкцию защитило семейство из 36 патентов. Главные из них: международный 1987 года, американский US 4,976,582 от 11 декабря 1990 года и европейский 1991 года ³. В 1991 году Клавель защитил в EPFL диссертацию о быстром параллельном роботе с четырьмя степенями свободы ³.

Коммерческую историю начала швейцарская Demaurex. Её основали в 1983 году братья Марк-Оливье и Паскаль Демаре, в 1987-м они купили лицензию на дельта-робот и нацелились на упаковочную отрасль ³. По хронологии IFR, в 1992 году Demaurex продала первую упаковочную установку на дельта-роботах: шесть роботов укладывали крендельки в блистерные лотки ². В 1996 году братья выкупили патент у EPFL ³.

Крупные производители пришли в конце 1990-х. IFR относит к 1998 году FlexPicker компании ABB: он отбирал 120 предметов в минуту, двигался со скоростью 10 м/с и находил их по изображению ². По обзору Ильяна Бонева, IRB 340 FlexPicker вышел в 1999 году и предназначался для пищевой, фармацевтической и электронной отраслей ³. Встроенный вакуум брал предметы до 1 кг, робота вела система зрения Cognex, а темп достигал примерно 150 перекладок в минуту ³.

В том же 1999 году Demaurex купила швейцарская группа SIG, а Клавель получил премию Golden Robot Award ³. Американский патент отслужил полный срок, который, по данным Google Patents, истекал 11 декабря 2007 года ⁴. Сегодня дельта-роботы есть в линейках ABB, FANUC, KUKA, Yaskawa, Omron, китайской Borunte и российской Nevlabs ^57910111213.

Схема прижилась и за пределами упаковочных линий. Большой дельта-робот хирургического комплекса SurgiScope держал микроскоп массой 20 кг ³. На той же кинематике с линейными приводами строили фрезерные станки: трёхосевой Quickstep и похожий на него Urane SX ³.

Конструкция заинтересовала и университетские лаборатории, где предложили множество её вариантов ³. Дельта-кинематику удобно показывать на занятиях по робототехнике рядом с другими схемами, которые повторяют учебные роботы.

Патент Клавеля описывает конструкцию так. На основании стоят три привода, и на валу каждого жёстко закреплён управляющий рычаг. Свободный конец рычага соединён с подвижной платформой двумя шарнирными штангами, поэтому платформа не наклоняется и не разворачивается, как бы ни двигались рычаги ⁴. Рабочий орган на платформе поворачивает неподвижный двигатель на основании через телескопический вал ⁴.

Две штанги вместе с рычагом и платформой образуют параллелограмм. Он не даёт выходному звену повернуться относительно входного, а три параллелограмма оставляют платформе только три поступательные степени свободы ³. Рычаги поворачивают серводвигатели, в других вариантах их двигают линейные приводы. Четвёртая штанга передаёт вращение от основания к захвату ³.

Приводы на основании и лёгкие звенья позволяли платформе разгоняться до 50 g в лабораторных опытах и до 12 g в промышленных установках: такие цифры Бонев приводил в 2001 году ³. Производители продолжают облегчать подвижные части. KUKA объясняет быстрые разгоны версии KR DELTA HO корпусом из углеволокна и подвижной пластиной из алюминия ⁹. По данным FANUC, роботы серии DR-3iB двигаются со скоростью до 5500 мм/с ⁸.

Теоретическая рабочая зона дельта-робота — пересечение трёх торов ³. Производители описывают её проще: диаметром и высотой области под роботом. У компактного FANUC M-1iA это φ280 × 100 мм, у крупного DR-3iB/8L — φ1600 × 500 мм ⁷. Высота везде в разы меньше диаметра, поэтому робот работает над плоскостью ленты или стола, а не в глубоком объёме.

Трёх осей хватает, чтобы переносить предмет по X, Y и Z без поворота. Так устроен FANUC M-3iA/12H: три оси и груз 12 кг ⁷. Четвёртая ось поворачивает захват вокруг вертикали. Четыре оси у FANUC DR-3iB, KUKA KR DELTA и Omron iX4 ⁷⁹¹¹. У ABB IRB 360 на 1130 мм есть трёх- и четырёхосевые версии ⁵.

Больше осей нужно, когда предмет надо наклонить. Пятиосевой ABB IRB 365 поднимает 1,5 кг и быстро переориентирует лёгкие упаковки ⁵. Компактный FANUC M-1iA выпускают и с шестью осями, и именно шестиосевые версии производитель указывает для сборки ⁷.

Omron iX4 держит платформу четырьмя руками: производитель называет его единственным в мире параллельным роботом с запатентованной поворотной платформой на четырёх руках ¹⁵. В паспорте сказано, что четырёхосевая рука равномерно распределяет нагрузку на робот, а высокий допустимый груз позволяет брать несколько предметов за один ход ¹¹. С неповоротной платформой P30 модель iX4-650H поднимает 15 кг, с поворотной — 6 кг ¹¹.

Большинство дельта-роботов подвешивают над рабочей зоной. Потолочный монтаж указан у FANUC M-2iA, M-3iA и DR-3iB, перевёрнутый — у ABB IRB 360 и Omron iX4 ⁶⁷¹¹. Лёгкий M-1iA можно поставить и на пол, и под углом ⁷. Рама держит и вес робота, и рывки платформы, а весит сам робот немало: 120 кг у ABB IRB 360, 250 кг у FANUC DR-3iB/6 STAINLESS ⁶⁷.

Командует им отдельный контроллер робота. ABB ставит на IRB 360 контроллер OmniCore C30 и ПО PickMaster, в котором настраивают задачи отбора ⁵, KUKA — компактный KR C5 micro ⁹. Для FANUC M-2iA, M-3iA и DR-3iB подходят R-30iB Plus и R-30iB Mate Plus ⁷. Omron iX4 подключают по EtherCAT к контроллеру NJ501-R, который ведёт до восьми роботов и программируется на языках IEC 61131-3 ¹¹.

Промышленные роботы дельта сравнивают по пяти числам: груз, диаметр и высота рабочей зоны, время цикла, повторяемость и точность слежения за конвейером. У каждого есть оговорка.

Груз указывают вместе с захватом, и производители считают его по-разному. KUKA для KR 3 D1200 приводит полную нагрузку 6 кг ⁹, Omron для iX4-650H — 15 кг только с неповоротной платформой ¹¹. Время цикла сравнивают на стандартном ходе 25/305/25 мм. Его называют циклом Adept: инструмент поднимается на 25 мм, проходит 305 мм, опускается на 25 мм и возвращается тем же путём ¹⁴.

Повторяемость у моделей FANUC, ABB и Yaskawa указана в сотых и десятых долях миллиметра: ±0,02 мм у M-1iA, ±0,03 мм у DR-3iB, 0,1 мм у IRB 360 и ±0,1 мм у MPP3H ⁶⁷¹⁰. Когда робот берёт предмет с движущейся ленты, ошибка растёт вместе со скоростью ленты. ABB приводит для IRB 360 повторяемость 1,0 мм при 200 мм/с и 5,0 мм при 800–1400 мм/с ⁶.

Производители обещают, что обслуживать дельта-робот почти не придётся. KUKA закрывает редукторы в корпус, делает шаровые шарниры из самосмазывающегося материала и называет KR DELTA практически необслуживаемым: пересмазывать его за срок службы не нужно ⁹. FANUC поставил на основные редукторы DR-3iB смотровые окна, чтобы сразу видеть подтёки смазки, а кабели провёл через полое запястье диаметром 20 мм ⁸. У ABB IRB 360 гладкие смываемые поверхности и шарниры без смазки, стойкие к большинству агрессивных сред ⁶.

Электричества дельта-робот потребляет немного. В паспорте ABB для IRB 360 с грузом 1 кг на типовом цикле перекладки указано 0,477 кВт, а трансформатор рассчитан на 7,2 кВА ⁶. Российский «Экстремум» потребляет в среднем 2 кВт и до 6 кВт в пике от одной фазы ¹³.

Паспортное время цикла показывает потолок, а не то, сколько выдаст линия. ABB прямо пишет, что цикл зависит от данных инструмента, радиуса траектории и того, как срабатывает захват, и советует проверять его в RobotStudio или на испытаниях ⁶. Даже в паспорте ABB 2013 года цифры быстро растут с грузом и длиной хода: у IRB 360-1/1130 цикл 25/305/25 мм занимает 0,30 с при 0,1 кг и 0,36 с при 1 кг, а более длинный ход 90/400/90 мм с грузом 1 кг — уже 0,51 с ⁶.

Производители, которые называют темп в перекладках, дают цифры скромнее. Yaskawa обещает для MPP3H до 150 циклов в минуту с полным грузом 3 кг ¹⁰. Российский производитель «Экстремума» пишет прямо: до 100 перекладок в минуту, а на практике с реальным продуктом до 80 ¹³. Пример ниже показывает, как из паспорта получить честный ориентир.

Каждый этап цикла съедает время. Захват должен успеть присосаться и отпустить предмет, камера — найти его, а робот — догнать на ленте. Чем быстрее едет лента, тем хуже точность слежения: у IRB 360 она падает с 1,0 мм при 200 мм/с до 5,0 мм при 800–1400 мм/с ⁶. Сколько рабочих мест заменит робот и когда он окупится, считает калькулятор окупаемости роботизации.

Главная работа дельта-робота — pick-and-place: взять лёгкий предмет с конвейера и положить в лоток, коробку или на соседнюю ленту. Бонев считал его идеальным роботом, чтобы перекладывать предметы массой от 10 г до 1 кг ³. Современные серии поднимают больше: до 15 кг у Omron iX4-650H с неповоротной платформой ¹¹. KUKA ставит дельта-роботы на все уровни упаковки: первичную, вторичную и третичную ⁹. Как устроены сами участки, описано на странице об упаковке и фасовке.

В первичной упаковке робот касается открытого продукта. Для сырого мяса, сыра и сладостей KUKA предлагает гигиеническое исполнение KR DELTA полностью из нержавеющей стали: IP67 для всего робота, IP69K для четвёртой оси и мойку под давлением до 100 кПа ⁹. ABB рассчитывает IRB 360 на мясные и молочные производства ⁶. Нержавеющий вариант прошёл проверку на IP69K и выдерживает мойку горячей водой под высоким давлением с промышленными моющими средствами ⁵.

FANUC применяет в DR-3iB пищевую смазку NSF-H1 ⁸. Omron заявляет для iX4 соответствие санитарным требованиям Министерства сельского хозяйства США (USDA), но в каталоге отметка USDA стоит только у исполнений iX4-650HS и iX4-800HS ¹⁵. Как такие участки встраивают в линию, разобрано в отраслевом обзоре пищевой промышленности и в решении для первичной упаковки продуктов.

Во вторичной упаковке робот раскладывает уже упакованные изделия по коробам и лоткам. ABB приводит пример: IRB 360 с крупным регулируемым захватом на стандартном фланце берёт продукты во флоу-паке прямо с шагового конвейера ⁵. Для вертикальной укладки, в том числе в упаковку для выкладки на полку, ABB предлагает пятиосевой IRB 390 ⁵. В паспорте 2013 года ABB описывала и компактный IRB 360-1/800 с зоной диаметром 800 мм, который встраивали прямо в упаковочные машины ⁶. На нынешней странице FlexPicker его нет: там варианты с зоной 1130 и 1600 мм ⁵.

KUKA подчёркивает, что при финальной упаковке робот не загрязняет продукты, косметику и лекарства, а четвёртая ось KR DELTA рассчитана на чистые помещения класса 4 по ISO 14644 ⁹. Для исполнений IRB 360 под мойку и из нержавеющей стали паспорт указывает чистые помещения класса 5 по сертификату IPA ⁶. Фармацевтику называли целевой отраслью ещё для первого FlexPicker ³; как автоматизируют её участки, рассказывает обзор о фармацевтике.

В электронике и приборостроении важны сборка и перенос мелких деталей. Yaskawa называет для MPP3H сборку, перенос деталей и упаковку ¹⁰, а у FANUC для сборки предназначены шестиосевые версии M-1iA с повторяемостью ±0,02 мм ⁷.

Если предметы лежат на ленте как попало, дельта-роботу нужна камера. Уже FlexPicker 1998 года находил предметы по изображению ², а IRB 340 вела система машинного зрения Cognex ³. Сегодня ABB подключает к одному модулю слежения за конвейером до четырёх роботов, четырёх конвейеров и восьми камер ⁵.

Лёгкие упаковки с ровной поверхностью берёт вакуумный захват. Встроенной вакуумной системой ABB оснащала ещё IRB 340 ³, а у IRB 360 вакуумная линия проходит внутри робота: давление подачи до 7 бар, разрежение до 0,75 бар ⁶. Для мягких, хрупких и тяжёлых изделий подбирают другие захваты для роботов.

Над конвейером с лёгкими предметами дельта-робот соперничает с тремя схемами. Робот SCARA по ГОСТ Р 60.0.0.4-2023 имеет два параллельных вращательных шарнира и податлив в выбранной плоскости ¹. У шарнирного робота три и более вращательных шарнира ¹; это классический робот-манипулятор, который может наклонить инструмент как угодно, но несёт на осях собственные двигатели ⁴. Декартовый робот двигает инструмент по линейным осям, а его крупный вариант, портальный робот, перекрывает большие площади.

Родственник дельта-робота с шестью параллельными опорами — гексапод, или платформа Стюарта, которую стандарт приводит как пример робота с параллельной структурой ¹. Клавель в патенте упоминал такие механизмы: двигатели в них неподвижны, но рабочий объём очень ограничен ⁴. Цель своего изобретения он описал так: управлять тремя основными степенями свободы параллельно от приводов на неподвижной опоре, держать подвижный элемент параллельным опоре и переносить лёгкие детали в очень высоком темпе ⁴.

Как выбрать между дельтой и SCARA на одной и той же задаче, разобрано в статье дельта-робот или SCARA. Если продукт перекладывает человек, а ограждение поставить некуда, рассматривают кобот: эта задача и её ограничения описаны на отдельной странице.

Японские и европейские производители держат дельта-роботы в основных каталогах. У FANUC четыре серии: M-1iA, M-2iA, M-3iA и DR-3iB с грузом от 0,5 до 12 кг ⁷. DR-3iB/6 STAINLESS FANUC называет своим первым дельта-роботом из нержавеющей стали ⁸. У ABB линия FlexPicker: IRB 360 на 1–8 кг, пятиосевой IRB 365 и IRB 390 ⁵. KUKA выпускает KR DELTA, включая KR 15 D1200-2 и KR 15 D1600-2 с полной нагрузкой 15 кг ⁹. Yaskawa продаёт серию MPP ¹⁰, Omron — четырёхрукие iX4 ¹⁵.

Китайские производители включают дельта-роботы в общие линейки. У Borunte это BRTIRPL1003A из раздела четырёхосевых роботов: длина руки 1000 мм, груз 3 кг, серводвигатели с планетарными редукторами ¹².

В России дельта-роботы делает московская Nevlabs. Для «Экстремума» она сама изготавливает шарниры, металлоконструкции и мастер-контроллер, карбоновые трубки заказывает в Подмосковье, а покупает только двигатели и редукторы ¹³. Поставить робот производитель обещает за месяц ¹³. Остальные бренды собраны в обзоре «производители промышленных роботов».

На упаковочной линии рядом с дельта-роботом стоят камеры, конвейеры и паллетайзер на выходе, и они не обязательно одного бренда. Если линию и роботов связывает одна система управления, дельта-робот можно брать у того производителя, чья модель лучше подходит под продукт, и не привязывать весь парк к одному бренду.

Открытых цен на дельта-роботы мало: KUKA и Yaskawa называют цену по запросу ⁹¹⁰. Nevlabs публикует прайс на «Экстремум» ¹³. Цена зависит от числа осей и степени защиты, а рама, захват, система технического зрения, настройка и пусконаладка в неё не входят ¹³.

Робот — только часть бюджета. К нему добавляются рама над конвейером, захват, камера и слежение за лентой, программирование и запуск. Из этих статей складывается стоимость внедрения робота, а когда участок окупится, зависит от того, скольких людей на перекладке заменит робот и в сколько смен он будет работать.

Подбор начинают с продукта, а не с каталога. Самый тяжёлый предмет взвешивают вместе с захватом, измеряют ширину ленты и расстояние до тары, считают, сколько штук в минуту должен снимать робот. Эти три числа отсеивают большую часть моделей ещё до того, как запрашивать цены. Остальное проверяют по таблице ниже. Подбор под продукт, такт и планировку можно заказать как подбор оборудования; весь комплекс с рамой, ограждением и конвейерами проектируют как роботизированную ячейку.

• Лёгкие грузы. Серийные модели из таблицы берут 0,5–15 кг ⁷¹¹, а время цикла растёт с каждым килограммом груза ⁶. Тяжёлые короба и мешки перекладывает другой класс роботов.
• Плоская рабочая зона. Высота зоны у FANUC — 100–500 мм при диаметре 280–1600 мм ⁷. Если тара глубокая или у деталей большой перепад высот, зону заранее сверяют с паспортом.
• Монтаж сверху. Крупные модели массой 117–250 кг подвешивают над зоной ⁶⁷¹¹, поэтому нужны жёсткая рама и подход к роботу над конвейером, чтобы его обслуживать.
• Паспорт и реальность. Цикл растёт с грузом и длиной хода: 0,30 с превращаются в 0,51 с ⁶. Nevlabs прямо пишет о 80 перекладках в минуту с реальным продуктом вместо 100 ¹³.
• Точность на ходу. При слежении за быстрой лентой повторяемость IRB 360 ухудшается до 5,0 мм ⁶. Чтобы точно посадить деталь, нужна неподвижная позиция или другая кинематика.
• Ограниченная ориентация. Три-четыре оси дают только перенос и поворот вокруг вертикали. Наклонить предмет могут пятиосевые и шестиосевые модели, например ABB IRB 365 и FANUC M-1iA ⁵⁷.