Consigli essenziali per la scelta dell'hardware del robot: aumenta l'efficienza ora

I. L'importanza della selezione dell'hardware robotico

I robot stanno svolgendo un ruolo sempre più importante in vari settori, dall'industria di produzione al settore dei servizi, dalla ricerca scientifica alla vita quotidiana. Per consentire ai robot di operare in modo efficiente e stabile, la scelta e la configurazione dell'hardware è il primo passo fondamentale. Un hardware appropriato può garantire che i robot eseguano con precisione i compiti, migliorino l'efficienza del lavoro e riducano la probabilità di guasti. Ad esempio, nella manifattura industriale, un robot male configurato può subire frequenti errori operativi, influendo sulla qualità del prodotto e sullo sviluppo della produzione. Nei robot per servizi medici, un hardware non adatto potrebbe non riuscire a eseguire con precisione le assistenze chirurgiche o le cure ai pazienti, e potrebbe persino mettere a rischio la sicurezza dei pazienti. Pertanto, una corretta selezione e configurazione dell'hardware robotico è la base per far sì che i robot svolgano le funzioni previste.

II. Componenti principali dell'hardware robotico

(A) Struttura meccanica

Struttura del corpo
La struttura del corpo del robot è la sua struttura di supporto fondamentale. I materiali comuni includono alluminio lega e acciaio. Le strutture in alluminio sono leggere, facilitando il movimento e l'operazione del robot, rendendole adatte per robot con requisiti di peso elevati e movimenti frequenti, come i robot per la logistica. Le strutture in acciaio hanno alta resistenza e possono sopportare carichi pesanti, comunemente utilizzate in robot industriali pesanti, come i robot da saldatura nelle officine di produzione automobilistica, che devono sopportare il peso dell'equipaggiamento di saldatura e le forze d'impatto durante la saldatura per lunghi periodi.
Nella scelta della struttura del corpo, considerare l'ambiente di lavoro e i requisiti del compito del robot. Se si lavora in un ambiente con spazio limitato e sensibile al peso, una struttura in alluminio è più adatta; per scenari con carichi elevati e condizioni di lavoro complesse, una struttura in acciaio è la scelta migliore.

Componenti delle giunture
Le giunture sono le parti chiave che consentono ai robot di eseguire vari movimenti. I tipi di giunture comuni includono giunture rotative e giunture lineari. Le giunture rotative permettono al braccio del robot di ruotare su un piano o nello spazio, e la loro precisione e capacità di coppia sono importanti. Ad esempio, i robot utilizzati per il montaggio richiedono un controllo ad alta precisione degli angoli delle giunture per garantire l'installazione accurata dei componenti. Le giunture lineari forniscono movimento in direzione rettilinea; ad esempio, la giuntura di sollevamento di un robot pallettizzatore industriale è una giuntura lineare, che deve trasportare in modo stabile la merce ed eseguire con precisione le operazioni di sollevamento e abbassamento.
Nella scelta dei componenti delle giunture, concentrarsi sulla precisione del movimento, la capacità di carico e la durata. Giunture ad alta precisione possono rendere i movimenti del robot più accurati, migliorando la qualità del lavoro; giunture con alta capacità di carico possono soddisfare le esigenze di portare strumenti o oggetti più pesanti; giunture durature possono garantire meno guasti durante l'uso a lungo termine.

(B) Sistema di alimentazione

Motori
I motori sono la principale fonte di energia per i robot. I tipi comuni includono motori a corrente continua (DC), motori a corrente alternata (AC) e motori passo-passo. I motori DC hanno una struttura semplice e sono facili da controllare, comunemente utilizzati in piccoli robot con requisiti moderati di velocità e coppia, come i robot educativi. I motori AC hanno maggiore potenza ed efficienza, adatti per grandi robot nell'industria di produzione, fornendo energia continua e stabile. I motori passo-passo sono noti per la loro capacità di controllo di posizione ad alta precisione, spesso utilizzati in applicazioni che richiedono un controllo preciso del movimento, come i robot per la stampa 3D, che possono controllare con precisione la posizione della testina di stampa per garantire modelli stampati di alta qualità.
Nella scelta dei motori, determinare il tipo in base alla velocità, ai requisiti di coppia e alla precisione di controllo del robot. I robot che richiedono movimenti veloci potrebbero necessitare di motori ad alta potenza; per compiti con requisiti estremamente elevati di precisione di posizione, i motori passo-passo o i motori servo ad alta precisione sono scelte migliori.

Batterie o alimentazione
Per i robot mobili o quelli che richiedono operazioni indipendenti, le batterie sono una fonte di energia importante. I tipi comuni di batterie includono batterie al litio e batterie a piombo-acido. Le batterie al litio hanno alta densità energetica, sono leggere e hanno tassi di auto-scarica bassi, sempre più utilizzate in vari robot portatili e ad alte prestazioni, come droni e aspirapolvere robotici. Le batterie a piombo-acido hanno un costo inferiore e una maggiore sicurezza, ma una densità energetica relativamente più bassa, comunemente utilizzate in situazioni sensibili al peso e al costo, come carrelli industriali semplici.
Se il robot opera in una posizione fissa, può ottenere energia attraverso una presa di corrente. Nella scelta delle batterie o dell'alimentazione, considerare la durata di funzionamento del robot, il tempo di ricarica e la facilità di sostituzione delle batterie. Per i robot che richiedono operazioni continue a lungo termine, scegliere batterie ad alta capacità e lunga durata o un sistema di alimentazione stabile.

(C) Sensori

Sensori visivi
I sensori visivi agiscono come gli "occhi" del robot, consentendo al robot di "vedere" il suo ambiente circostante. I sensori visivi comuni includono telecamere e LiDAR (Light Detection and Ranging). Le telecamere possono catturare informazioni di immagini e video, consentendo ai robot di riconoscere forme, colori e posizioni degli oggetti attraverso tecnologie di elaborazione delle immagini. Ad esempio, nei robot di sicurezza intelligenti, le telecamere possono monitorare in tempo reale il personale e gli oggetti nelle aree di sorveglianza, identificare comportamenti anomali e inviare allarmi tempestivi. Il LiDAR misura il tempo di riflessione della luce dopo l'emissione di fasci laser per ottenere informazioni ambientali 3D, mappando con precisione l'ambiente circostante del robot per un miglior pianificazione del percorso e l'evitamento degli ostacoli. Negli aspirapolvere robotici, il LiDAR può creare mappe delle stanze, consentendo una pulizia più efficiente.
Nella scelta dei sensori visivi, considerare la risoluzione, il campo visivo, il frame rate e la capacità anti-interferenza. I sensori ad alta risoluzione forniscono informazioni di immagine più chiare, un ampio campo visivo consente al robot di monitorare un'area più ampia, un alto frame rate garantisce la performance in tempo reale dell'immagine, e una forte capacità anti-interferenza assicura un'operazione accurata in ambienti complessi.

Sensori di forza
I sensori di forza rilevano la magnitudine e la direzione della forza tra il robot e l'ambiente esterno. Sono cruciali nei compiti robotici che richiedono interazione fisica con oggetti. Ad esempio, durante il montaggio preciso, i sensori di forza possono percepire piccole variazioni di forza durante il processo di assemblaggio, consentendo al robot di regolare i suoi movimenti per garantire l'installazione corretta dei componenti e evitare danni dovuti a forze eccessive o insufficienti.

Nei robot industriali per la levigatura, i sensori di forza possono monitorare in tempo reale la forza di levigatura, assicurando una qualità di levigatura costante. Nella scelta dei sensori di forza, concentrarsi sulla precisione di misurazione, la gamma e la velocità di risposta. I sensori di forza ad alta precisione possono rilevare con maggiore accuratezza le variazioni di forza, la gamma appropriata deve essere determinata in base al compito del robot, e una rapida velocità di risposta consente al robot di reagire prontamente alle variazioni di forza.

Sensori di distanza
I sensori di distanza misurano la distanza tra il robot e gli oggetti circostanti. I tipi comuni includono sensori ultrasonici e sensori infrarossi. I sensori ultrasonici emettono onde ultrasoniche e misurano le onde riflesse per determinare la distanza, adatti per misurazioni a breve raggio con precisione tipicamente al centimetro, comunemente utilizzati per l'evitamento degli ostacoli in piccoli robot, come gli aspirapolvere domestici che utilizzano sensori ultrasonici per rilevare le distanze dai muri e dagli arredi per evitare collisioni.

I sensori infrarossi utilizzano la luce infrarossa per rilevare la distanza, con una gamma di rilevamento relativamente più stretta ma una velocità di risposta rapida, comunemente utilizzati in applicazioni con requisiti elevati di velocità di rilevamento, come funzioni di evitamento degli ostacoli semplici nei robot giocattolo. Nella scelta dei sensori di distanza, considerare la gamma di misurazione, la precisione e l'adattabilità a diversi ambienti. Diversi tipi di sensori di distanza possono avere prestazioni diverse in varie condizioni; ad esempio, i sensori infrarossi possono essere interferiti in ambienti con illuminazione complessa, mentre i sensori ultrasonici sono relativamente più stabili.

III. Fattori da considerare nella selezione dell'hardware robotico

(A) Requisiti del compito

Requisiti di precisione
Se il compito del robot richiede una precisione estremamente elevata, come nei robot per la litografia nella produzione di chip, allora la precisione di vari componenti deve essere un punto focale nella selezione dell'hardware. I motori devono avere encoder ad alta precisione per garantire l'accuratezza del movimento, i componenti delle giunture devono avere un errore di movimento minimo, e i sensori devono essere modelli ad alta risoluzione e alta precisione.

Ad esempio, la risoluzione del suo sensore visivo potrebbe dover raggiungere il livello micrometrico per completare con precisione i compiti di litografia dei chip. Per compiti di assemblaggio con requisiti di precisione relativamente più bassi, possono essere selezionati componenti hardware con un rapporto qualità-prezzo più elevato e una precisione moderata. Tuttavia, assicurarsi che soddisfino standard di base di precisione per garantire la qualità dell'assemblaggio.

Capacità di carico
Quando un robot deve trasportare oggetti pesanti, la capacità di carico è un fattore chiave. Ad esempio, un robot per la manutenzione di container in un porto deve trasportare contenitori che pesano diverse tonnellate, richiedendo che la struttura del corpo, i componenti delle giunture e il sistema di alimentazione abbiano una capacità di carico sufficiente.

I motori devono fornire abbastanza coppia per far muovere il robot con carichi pesanti, le giunture devono sopportare il peso e lo stress corrispondenti, e la struttura del corpo deve essere robusta e duratura. Se il robot esegue solo operazioni leggere, come il prelievo e il posizionamento di piccoli componenti su una linea di produzione elettronica, il requisito di capacità di carico è relativamente basso, consentendo configurazioni hardware più leggere con minori capacità di carico.

Requisiti di velocità
Per i robot che devono completare compiti rapidamente, come i robot per la classificazione dei pacchi, la velocità è un indicatore importante. Questo richiede la selezione di motori con alta velocità di rotazione e risposta rapida, nonché giunture con movimento rapido e flessibile. Simultaneamente, il sistema di controllo del robot deve elaborare i dati in modo efficiente per garantire che il robot operi al ritmo stabilito.
Per i compiti robotici con requisiti di velocità inferiori, come i robot per la raccolta agricola che operano in ambienti relativamente rilassati, possono essere selezionate configurazioni hardware con velocità moderata ma a costo inferiore per bilanciare le prestazioni e il costo.

(B) Fattori ambientali di lavoro

Temperatura e umidità
I robot che operano in ambienti ad alta temperatura, come i robot di ispezione di forni ad alta temperatura nell'industria metallurgica, richiedono hardware resistente ad alte temperature. I materiali isolanti dei motori devono sopportare alte temperature, i componenti elettronici devono operare in modo stabile ad alte temperature, e i materiali della struttura del corpo potrebbero anche dover essere leghe speciali ad alta resistenza e ad alta temperatura.
Per i robot che operano in ambienti umidi, come i robot per l'esplorazione subacquea, considerare la resistenza all'acqua e all'umidità dell'hardware. Le schede elettroniche devono essere trattate in modo speciale per resistere all'umidità, e i motori e i sensori devono essere ben sigillati per prevenire danni causati dall'acqua.

Polvere e sostanze corrosive
In ambienti polverosi, come i robot di ispezione nelle miniere sotterranee, la polvere può facilmente entrare all'interno del robot, influendo sul normale funzionamento dell'hardware. Pertanto, il robot ha bisogno di un buon design antipolvere, i motori e i sensori dovrebbero avere coperture antipolvere, e le fessure della struttura del corpo dovrebbero essere sigillate.
Se l'ambiente di lavoro contiene sostanze corrosive, come i robot nelle officine di produzione chimica, i materiali dell'hardware devono essere resistenti alla corrosione. Ad esempio, la struttura del corpo può essere realizzata in acciaio inossidabile, e i componenti elettronici dovrebbero essere trattati per resistere alla corrosione per prolungare la vita utile del robot.

Vincoli spaziali
I robot che operano in spazi limitati, come i robot di servizio domestico che operano in spazi interni stretti, richiedono dimensioni compatte. Ciò richiede la selezione di motori, sensori e moduli di controllo più piccoli durante la scelta dell'hardware, mentre la struttura del corpo deve essere progettata in modo ragionevole per consentire movimenti flessibili in spazi limitati.
Per i robot di grandi dimensioni che operano in spazi aperti, sebbene i vincoli spaziali siano relativamente bassi, dovrebbe comunque essere considerata la razionalità del layout dell'equipaggiamento per facilitare l'installazione, la manutenzione e l'operazione.

(C) Fattori di costo

Costo di acquisto dell'hardware
Diversi marchi e modelli di hardware robotico variano notevolmente in termini di prezzo. Nella scelta dell'hardware, considerare il budget in modo complessivo. Ad esempio, alcuni componenti robotici ad alta precisione importati sono costosi, mentre prodotti simili prodotti localmente con prestazioni che soddisfano i requisiti di base sono relativamente più economici. Se il budget è limitato, selezionare hardware locale conveniente, a patto di garantire il completamento di base del compito.
Tuttavia, si noti che il prezzo non dovrebbe essere l'unico criterio; prezzi eccessivamente bassi possono indicare un'insufficiente qualità e prestazioni dell'hardware, influendo sull'uso a lungo termine e sull'efficacia del lavoro del robot.

Costo di funzionamento
I costi di funzionamento del robot includono il consumo di energia e le spese di manutenzione. Alcuni motori ad alte prestazioni possono avere un consumo di energia più elevato, mentre i motori a risparmio energetico possono ridurre i costi di funzionamento. Nella scelta dell'hardware, considerare il suo consumo energetico.
I costi di manutenzione non possono essere ignorati. Ad esempio, i disegni hardware che facilitano lo smontaggio e la sostituzione dei componenti riducono la difficoltà e il costo della riparazione. Inoltre, la scelta di hardware affidabile e duraturo può ridurre la frequenza dei guasti, riducendo così i costi di manutenzione.

IV. Processo di selezione dell'hardware robotico

(A) Chiarire i requisiti
In primo luogo, comprendere chiaramente quale compito specifico il robot deve svolgere. Si tratta di saldatura o manutenzione nella produzione industriale, o pulizia e compagnia nel settore dei servizi? Dopo aver chiarito il compito, determinare i requisiti del robot in termini di precisione, capacità di carico, velocità, ecc. Ad esempio, se si tratta di un robot per la saldatura di circuiti elettronici, richiede una precisione estremamente elevata per saldare con precisione piccoli componenti elettronici sul circuito; se si tratta di un robot per la manutenzione di merci in un magazzino logistico, richiede una capacità di carico maggiore e una velocità di operazione più rapida.

(B) Ricerca di mercato
Conducere una vasta ricerca sui fornitori e sui prodotti di hardware robotico sul mercato. Comprendere le caratteristiche, i parametri di prestazione, i prezzi e le recensioni degli utenti di diversi marchi e modelli. Le informazioni pertinenti possono essere ottenute tramite ricerche online, mostre settoriali e consultazione di professionisti. Ad esempio, cercare i siti web ufficiali dei fornitori di hardware robotico online per visualizzare le descrizioni dei prodotti; partecipare a mostre settoriali dei robot per sperimentare di persona diversi prodotti hardware; consultare le aziende che hanno già utilizzato i robot per conoscere le loro esperienze e le lezioni apprese nella selezione dell'hardware.

(C) Sviluppare piani
In base ai risultati della ricerca e ai requisiti chiariti, sviluppare diversi piani di selezione e configurazione dell'hardware. Nel piano, elencare in dettaglio il marchio, il modello, le specifiche e il costo stimato di ogni componente hardware. Confrontare e analizzare diversi piani, ponderandone i pro e i contro. Ad esempio, il Piano A potrebbe utilizzare motori ad alta precisione importati ma a un costo più elevato; il Piano B utilizza motori prodotti localmente a costo conveniente, con una precisione leggermente inferiore ma che soddisfa i requisiti di base del compito a un costo inferiore. Attraverso tali confronti, selezionare il piano più adatto.

(D) Test e valutazione
Prima di acquistare effettivamente l'hardware, effettuare test e valutazioni su scala ridotta. Se le condizioni lo permettono, costruire una piattaforma di test semplice, installare i componenti hardware candidati, eseguire alcune simulazioni di compiti e osservare l'operazione del robot. Verificare se indicatori come precisione, stabilità e affidabilità soddisfano i requisiti. Ad esempio, per i sensori visivi, posizionare oggetti di forme e colori diversi sulla piattaforma di test per verificare se il robot può riconoscerli e localizzarli con precisione; per i componenti delle giunture, osservare se ci sono problemi come inceppamenti o tremolii durante il movimento. In base ai risultati dei test e della valutazione, ottimizzare e aggiustare ulteriormente il piano di selezione.

V. Conclusione
La selezione e la configurazione dell'hardware robotico è un processo complesso e cruciale, che influenza direttamente la capacità del robot di completare efficacemente e stabilmente i compiti di lavoro. Durante il processo di selezione, considerare pienamente vari aspetti come i requisiti del compito del robot, i fattori ambientali di lavoro e i fattori di costo. Attraverso processi di chiarimento dei requisiti, ricerca di mercato, sviluppo di piani e test di valutazione, selezionare la configurazione hardware più adatta. Solo in questo modo è possibile costruire robot ad alte prestazioni e conveniente, permettendo loro di massimizzare il loro valore in vari settori, avanzare continuamente la tecnologia robotica e portare maggiori comodità e innovazione alla produzione e alla vita quotidiana delle persone.