Robot Sistemler İçin Bilek ve Uç Eleman Tasarımında Dikkat Edilmesi Gereken Özellikler

Yapılması istenilen göreve en uygun olan robot kol biçimi tercih edildikten sonra, hareketi tamamlayıcı bir bilek ve işin türüne uygun uç elemanın robot sistem üzerine yerleştirilmesi gerekir. Bilek ve uç elemanlar bağlı oldukları robot kolla uyumlu şekilde çalışarak, amaçlanan hareketin yapılmasında kola yardımcı olacak şekilde düşünülür. Robot sistem tasarımı yapılırken, sadece kol mekanizması üzerinde çalışılmaz. Tasarlanan kol meka-n i zm a s ıy la birlikte çalışacak olan bilek ve uç elemanlar da robot sistem tasarımının bütünlüğü ya da orijinalliğini etkiler. Robot sistemler için bilek ve uç eleman tasarımı zorluğu, bilek hareketlerinin karmaşıklığı ya da iş parçasının yüzey durumunun etkisinde değişebilir. Bu elemanların çalışma yerleri, ortam şartlarına bağlı olarak özel olarak tasarlanmaları gerekir.

1. Giriş

Endüstri sahalarında robot sistemlere, problemlere hızlı ve hassas çözümler getirmeleri, insan sağlığı ve güvenliğine zararlı olan pek çok faktörden etkilenmediklerinden dolayı ihtiyaç duyulmaktadır. Otomobil imal-montaj, ilaç, nükleer santraller gibi alanlarda robotlar çok hassas işlerin yapımında kullanılmaktadır. (1)

Bu sektörlerde çalıştırılan robot kolların birtakım karmaşık işleri yapabilmeleri için özel tasarlanmış bilek mekanizmaları ve uç elemanlarıyla birlikte kullanılması gerekmektedir. Robot sistemler üzerinde çalışılırken sadece kol tasarımı değil, aynı zamanda bilek ve uç eleman tasarımı da, sistemin orijinalliğini etkilemektedir. Yapılması istenilen göreve en uygun olan robot kol seçimi yapıldıktan sonra, kol ile uyumlu çalışabilecek ve hareketin tamamlanmasında kola yardımcı olacak bir bilek ve ona bağlı olacak işin türüne uygun bir uç elemanın sisteme yerleştirilmesi gerekmektedir.

Robot kol sistemine yeni bilek ve tutucu uç eleman eklemede karşımıza bazı problemler çıkmaktadır. Bu problemlerin başında üretim maliyeti gelmektedir. Yapması istenilen görevleri yerine getirirken, aynı zamanda robot kol sisteminin maliyetini çok fazla yükseltmeyecek bir tasarım yapılmalıdır. Sadece işin mali yönünü düşünmek de sistemin kullanışlı olması için yeterli değildir. Bilek ve uç eleman tasarımında uyulması gereken özel imal ve montaj kurallarına dikkat edilmesi gerekmektedir.

Bilek ve uç elemanı tasarlamak, robot sistemlerle uğraşan tasarımcılarının işlerini zorlaştırmaktadır. Bu elemanların çalışma yerleri ve şartlarına bağlı olarak özel olarak ele alınıp, değerlendirilmeleri gerekmektedir.

2. Bilek

Bilek, robot sistemlerde kolun ucunda ve sanki kendisi başka bir kolmuş gibi görev yapan özel bağlantı biçimidir. Robot kol sistemi konum kontrolündeki son aşama, uç elemanları ve onun bağlı olduğu bileğin kontrol edilmesidir. Bu yüzden robot sistemlerde bileğin konumu ve yönlendirilmesi büyük önem taşımaktadır. Robot kollardaki altı serbestlik derecesinin yanında, bilek hareketini yapan ekleminde üç serbestlik derecesine sahip bulunması, istenilen konum ve yönlendirme hareketlerinin çok daha hassas bir biçimde yapılmasını sağlamaktadır. Bileğinde üç serbestlik derecesi bulunan robot kol sistemleriyle, insan elinin yapabildiği temel bilek hareketleri robota yaptırılabilmektedir.

Image

Şekil 1. Üç serbestlik derecesine sahip bilek koordinat eksenleri.

Robot kol bilek mekanizmaları, karmaşık yapıya sahip sistemler olduğundan üretim masrafları yüksektir. Bundan dolayı yaptığı temel iş hareketleri çok karmaşık olmayan robot kol sistemlerinde, 3 eksenli bilekler yerine maliyet fiyatı daha düşük olan iki eksenli bilekler kullanılmalıdır.

Uç serbestlik derecesine sahip robot sistem bileklerinde, serbestlik derecesi bulunan eksenlerdeki hareketleri rol (sallanma), pitch (adımlama) ve yaw (yalpa) özel isimleri alır (2)..

İki serbestlik derecesine sahip bilek mekanizmalarını bir kısmı konik dişlilerin kullanılmasıyla yapılmıştır. Kullanılan bu konik tahrik dişlilerinden, ikisi aynı hızda zıt yönde dönerlerse uç elemanına yaw (yalpa) hareketi, iki tahrik dişlisi aynı hızda aynı yöne dönerlerse uç elemanın pitch (adımlama) hareketi yapması sağlanır. Bu dişlilerin yön ve hızlarının hassas olarak kontrolünün yapılmasıyla, istenilen hassasiyette bilek hareketi yaptırmak mümkündür. Aşağıda bazı robot üretimi yapan firmaların, manipülatörlerde kullandıkları farklı bilek uygulamaları görülmektedir.

Image

Şekil 2. IBM 7565 Kartezyen robotunun bileği.

IBM7565 kartezyen robotun, motorlar yardımıyla hareket ettirilen bilek sisteminin basit resmi Şekil 2'de görülmektedir. Bu bilek mekanizması, üç serbestlik derecesinin verdiği hassas pozisyon hareketinin yanı sıra yüksek güç oranları gerektiren montaj uygulamalarında tercih edilmektedir.

Mekanizmaya ilk bakıldığında serbestlik derecesinin bir tanesinin eksik olduğu ve sadece iki serbestlik derecesi varmış gibi görülmektedir. Fakat bilek mekanizması, pitch (adımlama) ekseni etrafında döndürüldüğünde, roll (sallanma) ve yaw (yalpa) eksenleri farklı eksenler durumuna gelmektedir.

Böylelikle mekanizma sisteminin üç serbestlik derecesinde hareket edebildiği rahatça görülebilmektedir. IBM7565 kartezyen robotun bilek mekanizması, insan bileğinden farklı görünmesine rağmen, matematiksel olarak istenilen üç boyut- lu yaw, pitch ve roll hareketlerini gerçekleştirmektedir. (2)

Image

Şekil 3. Puma 560 robotuna ait bileğin hareket mekanizması.

PUMA560 robot kol sisteminin bileği, üç serbestlik derecesine sahiptir ve serbestlik eksenlerindeki hareketler birbirinden ayrı motorlarla tahrik edilir (Şekil 3). Robot kol sisteminin bileğine serbestlik derecesi sağlayan motorlar ve tahrik milleri, robot ön kolu (forearm) içerisine yerleştirilmiştir.

Mekanizmayı çevre etkilerinden korumak ve robot kolun tasarım estetiğini bozmamak için, bilek güç sistemi koruma kapağının içerisine alınmıştır.

Robot kolunun hareketi sırasında taşıdığı yüklerin etkisiyle hassasiyetinin bozulmaması için, kol balans ayarlamalarının çok hassas yapılması gerekir. (3)

Bilek mekanizmalarından, dar hacimde çok yönlü ve hassas hareketler istenildiğinden imali zor ve pahalı mekanizmalardır. Bilek mekanizmalarının yapısının karmaşıklığı kadar, kontrol ve programlaması da zahmetli bir iştir.

Bütün bunlara rağmen, robot kol sisteminin yaptığı hareketlerin hassasiyetini artırdığından dolayı,bilek mekanizmalarının önemi daha da artmaktadır.

Robot sistem bilek mekanizmaları sayesinde istenilen zorluktaki ve kompleks hareketlerin robota yaptırılması sağlanabilir, istenilen hareket ve görevleri yapabilmek için mekanizmanın yeterli özelliklere sahip olması gerekir. Bilek mekanizması tasarımında şu özelliklere dikkat edilmelidir. (2)

1.   Boyutları sistemle orantılı olarak, mümkün olduğu kadar küçük olmalıdır.

2.   Robot uç elemanın bağlanacağı yüzey dayanıklı ve ekseni çok hassas olmalıdır.

3.   Matematiksel modelleri mümkün olduğu kadar kolay hesaplanabilir olmalıdır.

4.   Bileğin kola bağlanacağı yüzeyler ve kolun rijitliğinin sağlanmış olması gerekir.

5.   İş sahalarının mümkün olduğu kadar sade olmasına dikkat edilmelidir.

6.   Öğrenme ve playback gibi programlama şekillerine uyumlu yapılmalıdırlar.

7.   Karmaşık işlemler yapması gereken robot bileklerinde, üç serbestlik derecesi tercih edilmelidir.

8.   Robot bilek sistemini hareket ettiren sürücü ve mekanizmaların denetimleri, çok hassas yapabilen kontrol elemanları kullanılarak yapılmalıdır.

9.   Bilek mekanizması içerisindeki hareket eden elemanların her birindeki güç kontrolünün yapılabilmesi sağlanabilmelidir.

Image

Şekil 4. Genel amaçlı pnömatik güçle çalışan iki parmaklı tutucu

Image

Şekil 5. Silindirik robot kol sistemi üzerine yerleştirilmiş özel bir vakumlu tutucu.

Image

Şekil 6. Mıknatıslanma ile çalışan tutucu.

3. Robot Uç Elemanları

Uç elemanlarının icadı ve kullanım örnekleri çok eski tarihlere uzanır. Tarihteki ilk bilinen uç elemanı, uzaktaki el anlamına gelen telechirdir. Telec-hirler doğrudan insanlar tarafından kontrol edilen makinalardı. Yanına yaklaşılamayacak kadar sıcak ve tehlikeli maddelerin taşınmasında bu basit tutucu eleman kullanılmaktaydı Elektronik devrelerle ya da bilgisayar ile kontrolü gibi imkan olmadığından bir dizi hareketi öğrenme ya da tekrar etme yetenekleri olmayan çok basit mekanik araçlardı. (4)

Günümüzde teknolojisinde uç elemanlar yapılacak görevin amacına bağlı değişik biçimler de tasarlanabilmektedirler. Örneğin bazı durumlarda uç eleman doğrudan iş makinasının kendisi olabilmektedir. Otomobil boyama sanayiinde boya spreyleri, fırçalar, kaynak aparatları gibi makinalar bileğe uç eleman olarak doğrudan takılabilirler.

Robot kol sistemlerinde kullanılan uç elemanlar genellikle aşağıdaki biçimlerden biri şeklinde olmaktadır.

1 .Genel amaçlı tutucular (Gripper).

2. Belirli bir parçayı tutmak üzere tasarlanmış tutucular.

3. İş aletleri.

Endüstriyel robotların bir çoğu makina veya elektronik parçaların montajı sahasında kullanılmaktadır. Bu tür uygulamalarda ve montaj robotlarında uç eleman olarak tutucular (gripper) kullanılır. Uç elemanlarının en yaygın türlerinden birinin tutucular olduğu bilinmektedir. Tut-yerleştir sanayiinin toplam robot pazarının %25-35 'ini oluşturduğu hesaplandığından beri tutuculara verilen önem artmıştır. (4)

Genel amaçlar için hazırlanmış pnömatik ve mekanik sistem birleşimi bir tutucunun resmi Şekil 4 'te görülmektedir. Bu tip genel amaçlı tutucular, çoğunlukla, iki parmaklı biçimdedirler, küresel ve prizmatik parçaları rahatlıkla kavrayabilecek parmaklara sahiptirler.

Tutucular genellikle adım motorları ya da pnömatik piston sürücüleriyle çalıştırılır. Havanın sıkıştırılabilir olması, pnömatik sistemler belirli bir pasif uyum gösterirler. Kavrama kuvvetini kontrol etmek amacıyla genel amaçlı bu tutucularda, basit ve ucuz kuvvet ölçüm sensörleri kullanılır. Sıkma kuvvetinin ayarlanmasında bu sensörler çoğu sistemler için yeterli olmaktadır.

Şekil 5'te görülen silindirik robot sistem üzerinde kullanışlı ve çok basit bir tutma mekanizması yerleştirilmiştir. Bu mekanizma sayesinde robot kol, iş parçası üzerine geldiğinde havayı va kum laya rak parçanın tutulması sağlanmaktadır. Fakat bu tip vakumlu tutucuların kullanıldığı sistemlerdeki, iş parçalarının tutma yüzeylerinin işleme hassasiyetinin çok iyi yapılmış olması gerekir. (5)

Bazı uygulamalarda çok karmaşık parçaların tutulması için, basit sistemler kullanılabilmektedir. Şekil 6'daki basit tutucu örneğinde torba içerisine manyetik özellikleri olan metal tozları doldurulmuştur. Uç elemanın bağlı olduğu robot kol veya ilgili sistem parça üzerine geldiğinde, elektrik akımı açılarak metal tozunun mıknatıslanması sağlanır. Mıknatıslanma etkisiyle uç eleman ile metal parça birbirine kavranır.

Bu şekildeki tutucular ile karmaşık yüzeyli parçaların tutulması sağlanabilmektedir. Robot sistem istenilen noktaya getirildiğinde elektromıknatısın akımı kesilerek, iş parçası serbest bırakılmaktadır. (4) Tutucu mekanizmaların en gelişmiş örneği insan eli şeklinde yapılmış olan mekanizmalardır. İnsan eli kavrama planlaması üzerinde yıllardan beri çalışılmaktadır. Günümüz teknolojisinde bile insan elinin gücüne, hafifliğine, hareket serbestliğine ve kontrol kolaylığına tam olarak ulaşmak mümkün değildir. Basit bir pimin deliğe sokulması işlemi insan için hiç önem taşımı-yorken, aynı işlemin robota yaptırılabilmesi çok uzun ve zahmetli çalışmadan sonra olmaktadır, işte robotik alanında yeni gelişen alanlardan biri de, çok parmaklı robot sisteme elle işçilik yaptırabilme problemidir, ince işçiliğin çok maksatlı olması, parmak hareketlerinin yapılacak işe, cisme ve birbirlerine bağımlı olarak ardışık özelliklerde hareket etmesi gerektiğinde, robot kol sistem tutucusuna bunu yaptırabilmek son derece karmaşıktır. Çok parmaklı robot kol sistemine ait insan eli şeklindeki tutucuların problemlerinin çözümü, bir üretim alanı içerisinde koordineli şekilde çalışan bir kaç robot kol problemine eş değer alınabilir. (6)

İkiden çok parmağa sahip robot sistem tutucularında, her rijit parmak tutulan parçanın şekli ne olursa olsun eşit basınç uygulayacak şekilde tasarlanmalıdır (Şekil 7). Üç parmaklı tutucu tiplerinde iki veya iki eş parmağın karşısına yerleştirilen farklı yapıda bir başparmak bulunmaktadır.

Image

Şekil 7. Robotik uygulamalarda kullanılmak üzere tasarlanmış dört parmaklı robot el tutucusu.

Bir işyerinde yiyecek kutularını tutmak üzere tasarlanmış bir robot sistem el mekanizması, insan elinden çok daha verimli çalışmaktadır. Robotların hiç biri insan elinin hassasiyetine ulaşamamakla birlikte hız, güvenilirlik ve sürekli çalışabilirlik açısından üstünlük gösterirler. Ayrıca uç elemanının değiştirilebilme gibi bir avantajı da vardır.

4. Sonuç

Robot kol sistemlerinden maksimum verim alınabilmesi için, robot kol ile uyumlu şekilde çalışabilecek bilek ve uç elemanının çok iyi seçilmesi ya da tasarlanması gerekir. Yapılması düşünülen bilek ve uç elemanlarının sistemin ihtiyaçlarına cevap vermesi aynı zamanda da ekonomik olması gerekmektedir. Robot sistemlerde üç eksenli bilek ve tutucu kullanmak yerine, ilgili hareketin gerçekleştirilmesi için yetecek seviyede serbestlik derecesine sahip bilek veya uç eleman kullanmak gerekir. Robot kollar, kontrolleri ve programlanmaları karmaşık sistemler olduklarından, tasarlanan bilek ve uç eleman mekanizmalarında sistemi daha karmaşık hale getirmemeleri için basit yapılardan tercih edilmelidirler. Fakat sürekli değişen iş şartlarında çalışan robot sistemlerin mekanik yapılarına müdahale etmeden, bilgisayara yeni program yükleyerek işe hazır hale getirmek de mümkündür. Bu şekilde istenilen bir robot sistemin kollarında altı serbestlik derecesinin yanında, bilek hareketini yapan ekleminde üç serbestlik derecesine sahip olması ve robot uç elemanının çok kullanışlı bir yapıda olması gerekir. Böylelikle, robot sistemin iş alanına ve kapasitesine uygun olan farklı işler bir tek robot kol sistemine yaptırılabilir.

5. Kaynaklar

1.  CRAIG J, 1981, Introduction to Robotic : Mechanics and Control.

2.  PAULI R, 1981, Robot Manipulators Mathematic, Programing and Control.

3.  RANKLY H, 1981, Robot Modelling Control and applications With Software, IFS (Publications) LTD. UK. Springer-Verlag.

4.  BULCA F, 1990, Robot sistemlerde kullanılan uç elemanları ve tutucu sensörleri, Mühendis ve Makina, 31 (367), 5-11.

5.  BOZDEMİR M., 1996, Robot sistem elemanları ve hareket analizleri, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi.

6.  ERKMEN, A., 1992, Robot elle kavrama planlaması, Elektrik Mühendisliği Dergisi, 393, 25-28.

7.  MITSUBISHI Industrial Micro-Robot System, 1994, Model RV -M 1 Instruction Manuel.

 

Yazar:

Arş. Gör. Mustafa Bozdemir, Arş. Gör. Şeref Aykut - Pamukkale Üniv., Teknik Eğitim Fak., Makina Böl.

Otomasyon Dergisi, Ocak 1999, Sayfa: 84-89