ประวัติการพัฒนาหุ่นยนต์อุตสาหกรรม: วิวัฒนาการจากแขนหุ่นยนต์สู่การผลิตอัจฉริยะ

1. ที่มาของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม การประดิษฐ์หุ่นยนต์อุตสาหกรรมสามารถสืบย้อนไปได้ถึงปี 1954 เมื่อจอร์จ เดโวลยื่นขอจดสิทธิบัตรเกี่ยวกับการแปลงชิ้นส่วนที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ หลังจากร่วมมือกับโจเซฟ เอนเกิลเบอร์เกอร์ บริษัทหุ่นยนต์แห่งแรกของโลกอย่าง Unimation จึงได้ก่อตั้งขึ้น และหุ่นยนต์ตัวแรกได้ถูกนำไปใช้งานในสายการผลิตของ General Motors ในปี 1961 โดยส่วนใหญ่ใช้สำหรับดึงชิ้นส่วนออกจากเครื่องหล่อแบบฉีด หุ่นยนต์อเนกประสงค์ที่ขับเคลื่อนด้วยไฮดรอลิกส่วนใหญ่ (Unimates) ถูกขายในปีต่อๆ มา โดยใช้สำหรับการจัดการชิ้นส่วนของร่างกายและการเชื่อมจุด การใช้งานทั้งสองอย่างประสบความสำเร็จ ซึ่งบ่งชี้ว่าหุ่นยนต์สามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือและรับประกันคุณภาพมาตรฐาน ในไม่ช้า บริษัทอื่นๆ จำนวนมากก็เริ่มพัฒนาและผลิตหุ่นยนต์อุตสาหกรรม อุตสาหกรรมที่ขับเคลื่อนด้วยนวัตกรรมได้ถือกำเนิดขึ้น อย่างไรก็ตาม อุตสาหกรรมนี้ต้องใช้เวลาหลายปีจึงจะทำกำไรได้อย่างแท้จริง
2. แขนสแตนฟอร์ด: ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในวงการหุ่นยนต์ “แขนสแตนฟอร์ด” ที่ก้าวล้ำนี้ได้รับการออกแบบโดยวิกเตอร์ เชนแมนในปี 1969 โดยเป็นต้นแบบของโครงการวิจัย เขาเป็นนักศึกษาคณะวิศวกรรมศาสตร์ในภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและทำงานที่ห้องปฏิบัติการปัญญาประดิษฐ์สแตนฟอร์ด “แขนสแตนฟอร์ด” มีองศาอิสระ 6 องศา และหุ่นยนต์ที่ใช้ไฟฟ้าทั้งหมดนั้นควบคุมโดยคอมพิวเตอร์มาตรฐาน ซึ่งเป็นอุปกรณ์ดิจิทัลที่เรียกว่า PDP-6 โครงสร้างจลนศาสตร์ที่ไม่เป็นมนุษย์นี้มีปริซึมและข้อต่อหมุน 5 จุด ซึ่งทำให้การแก้สมการจลนศาสตร์ของหุ่นยนต์เป็นเรื่องง่าย จึงทำให้พลังในการคำนวณเพิ่มขึ้น โมดูลไดรฟ์ประกอบด้วยมอเตอร์ DC ไดรฟ์ฮาร์มอนิกและตัวลดเกียร์แบบตรง โพเทนชิโอมิเตอร์และเครื่องวัดรอบต่อนาทีสำหรับการตอบสนองตำแหน่งและความเร็ว การออกแบบหุ่นยนต์ในเวลาต่อมาได้รับอิทธิพลอย่างมากจากแนวคิดของเชนแมน

3. กำเนิดหุ่นยนต์อุตสาหกรรมไฟฟ้าเต็มรูปแบบ ในปี 1973 ASEA (ปัจจุบันคือ ABB) ได้เปิดตัวหุ่นยนต์อุตสาหกรรมไฟฟ้าเต็มรูปแบบ IRB-6 ที่ควบคุมด้วยไมโครคอมพิวเตอร์ตัวแรกของโลก หุ่นยนต์นี้สามารถเคลื่อนที่เป็นเส้นทางต่อเนื่องได้ ซึ่งเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการเชื่อมด้วยอาร์กและการประมวลผล มีรายงานว่าการออกแบบนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีความทนทานมาก และหุ่นยนต์มีอายุการใช้งานนานถึง 20 ปี ในช่วงทศวรรษ 1970 หุ่นยนต์แพร่หลายอย่างรวดเร็วในอุตสาหกรรมยานยนต์ โดยส่วนใหญ่ใช้สำหรับการเชื่อมและการโหลดและการขนถ่าย

4. การออกแบบหุ่นยนต์ SCARA ที่ปฏิวัติวงการ ในปี 1978 ฮิโรชิ มากิโนะ แห่งมหาวิทยาลัยยามานาชิ ประเทศญี่ปุ่น ได้พัฒนาหุ่นยนต์ประกอบแบบ Selectively Compliant Assembly Robot (SCARA) ซึ่งเป็นหุ่นยนต์ที่มีแกนสี่แกนและมีต้นทุนต่ำ ซึ่งถือเป็นต้นแบบของหุ่นยนต์รุ่นนี้ โดยได้รับการออกแบบมาให้เหมาะกับความต้องการในการประกอบชิ้นส่วนขนาดเล็กได้อย่างสมบูรณ์แบบ เนื่องจากโครงสร้างจลนศาสตร์ช่วยให้สามารถเคลื่อนไหวแขนได้อย่างรวดเร็วและคล่องตัว ระบบการประกอบที่ยืดหยุ่นซึ่งใช้หุ่นยนต์ SCARA ที่มีความเข้ากันได้ดีกับการออกแบบผลิตภัณฑ์ ช่วยส่งเสริมการพัฒนาผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์และสินค้าอุปโภคบริโภคที่มีปริมาณมากทั่วโลก
5. การพัฒนาหุ่นยนต์น้ำหนักเบาและหุ่นยนต์ขนาน ข้อกำหนดด้านความเร็วและมวลของหุ่นยนต์ทำให้เกิดการออกแบบจลนศาสตร์และระบบส่งกำลังแบบใหม่ ตั้งแต่ยุคแรกๆ การลดมวลและความเฉื่อยของโครงสร้างหุ่นยนต์ถือเป็นเป้าหมายการวิจัยที่สำคัญ อัตราส่วนน้ำหนัก 1:1 ต่อมือมนุษย์ถือเป็นเกณฑ์มาตรฐานสูงสุด ในปี 2549 หุ่นยนต์น้ำหนักเบาจาก KUKA ประสบความสำเร็จในการบรรลุเป้าหมายนี้ ซึ่งเป็นแขนหุ่นยนต์ที่มีอิสระ 7 องศาพร้อมความสามารถในการควบคุมแรงขั้นสูง อีกวิธีหนึ่งในการบรรลุเป้าหมายด้านน้ำหนักเบาและโครงสร้างที่แข็งแรงได้รับการสำรวจและดำเนินการมาตั้งแต่ทศวรรษ 1980 นั่นคือการพัฒนาเครื่องมือกลขนาน เครื่องจักรเหล่านี้เชื่อมต่อเอฟเฟกเตอร์ปลายเครื่องเข้ากับโมดูลฐานเครื่องจักรผ่านตัวยึดขนาน 3 ถึง 6 ตัว หุ่นยนต์ขนานเหล่านี้เหมาะมากสำหรับความเร็วสูง (เช่น การจับ) ความแม่นยำสูง (เช่น การประมวลผล) หรือการจัดการโหลดสูง อย่างไรก็ตาม พื้นที่ทำงานของหุ่นยนต์เหล่านี้มีขนาดเล็กกว่าหุ่นยนต์แบบอนุกรมหรือแบบวงเปิดที่คล้ายกัน

6. หุ่นยนต์คาร์ทีเซียนและหุ่นยนต์สองมือ ปัจจุบัน หุ่นยนต์คาร์ทีเซียนยังเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการสภาพแวดล้อมการทำงานที่กว้าง นอกเหนือจากการออกแบบแบบดั้งเดิมที่ใช้แกนแปลมุมฉากสามมิติแล้ว กูเดลยังเสนอโครงสร้างเฟรมทรงกระบอกที่มีรอยบากในปี 1998 แนวคิดนี้ช่วยให้แขนหุ่นยนต์หนึ่งแขนหรือมากกว่านั้นติดตามและหมุนเวียนในระบบถ่ายโอนแบบปิด ด้วยวิธีนี้ พื้นที่ทำงานของหุ่นยนต์จึงสามารถปรับปรุงได้ด้วยความเร็วและความแม่นยำสูง ซึ่งอาจมีประโยชน์อย่างยิ่งในด้านโลจิสติกส์และการผลิตเครื่องจักร การทำงานที่ละเอียดอ่อนของสองมือมีความสำคัญสำหรับงานประกอบที่ซับซ้อน การประมวลผลการทำงานพร้อมกัน และการโหลดวัตถุขนาดใหญ่ Motoman เปิดตัวหุ่นยนต์สองมือแบบซิงโครนัสตัวแรกที่วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในปี 2005 ในฐานะหุ่นยนต์สองมือที่เลียนแบบการเอื้อมและความคล่องแคล่วของแขนมนุษย์ จึงสามารถวางไว้ในพื้นที่ที่คนงานเคยทำงาน ดังนั้น จึงสามารถลดต้นทุนการลงทุนได้ หุ่นยนต์มีแกนการเคลื่อนไหว 13 แกน: 6 แกนในแต่ละมือ และแกนเดียวสำหรับการหมุนพื้นฐาน
7. หุ่นยนต์เคลื่อนที่ (AGV) และระบบการผลิตแบบยืดหยุ่น ในเวลาเดียวกัน ยานยนต์นำทางอัตโนมัติ (AGV) ที่ใช้หุ่นยนต์อุตสาหกรรมก็ถือกำเนิดขึ้น หุ่นยนต์เคลื่อนที่เหล่านี้สามารถเคลื่อนที่ไปมาในพื้นที่ทำงานหรือใช้โหลดอุปกรณ์แบบจุดต่อจุดได้ ในแนวคิดของระบบการผลิตแบบยืดหยุ่นอัตโนมัติ (FMS) AGV ได้กลายเป็นส่วนสำคัญของความยืดหยุ่นของเส้นทาง เดิมที AGV พึ่งพาแพลตฟอร์มที่เตรียมไว้ล่วงหน้า เช่น สายไฟหรือแม่เหล็กฝังในการนำทางด้วยการเคลื่อนที่ ในขณะเดียวกัน AGV ที่นำทางได้อย่างอิสระจะใช้ในการผลิตและการขนส่งขนาดใหญ่ โดยปกติการนำทางของ AGV จะใช้เครื่องสแกนเลเซอร์ซึ่งให้แผนที่ 2 มิติที่แม่นยำของสภาพแวดล้อมจริงในปัจจุบันสำหรับการวางตำแหน่งอัตโนมัติและการหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง ตั้งแต่แรกเริ่ม การผสมผสานระหว่าง AGV และแขนหุ่นยนต์ถือว่าสามารถโหลดและขนถ่ายเครื่องมือเครื่องจักรโดยอัตโนมัติได้ แต่ในความเป็นจริงแล้ว แขนหุ่นยนต์เหล่านี้มีข้อได้เปรียบทางเศรษฐกิจและต้นทุนเฉพาะในบางโอกาสเท่านั้น เช่น การโหลดและขนถ่ายอุปกรณ์ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

8. แนวโน้มการพัฒนาที่สำคัญเจ็ดประการของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม ณ ปี 2550 วิวัฒนาการของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมสามารถสังเกตได้จากแนวโน้มหลักดังต่อไปนี้: 1. การลดต้นทุนและการปรับปรุงประสิทธิภาพ – ราคาต่อหน่วยเฉลี่ยของหุ่นยนต์ลดลงเหลือ 1/3 ของราคาเดิมของหุ่นยนต์เทียบเท่าในปี 2533 ซึ่งหมายความว่าระบบอัตโนมัติมีราคาถูกลงเรื่อย ๆ – ในขณะเดียวกัน พารามิเตอร์ประสิทธิภาพของหุ่นยนต์ (เช่น ความเร็ว ความสามารถในการรับน้ำหนัก เวลาเฉลี่ยระหว่างการขัดข้อง (MTBF)) ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ 2. การรวมเทคโนโลยีพีซีและส่วนประกอบไอที – เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล (พีซี) ซอฟต์แวร์ระดับผู้บริโภค และส่วนประกอบสำเร็จรูปที่นำมาโดยอุตสาหกรรมไอทีได้ปรับปรุงความคุ้มทุนของหุ่นยนต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ – ปัจจุบัน ผู้ผลิตส่วนใหญ่ผสานโปรเซสเซอร์ที่ใช้พีซี รวมถึงการเขียนโปรแกรม การสื่อสาร และการจำลองเข้ากับคอนโทรลเลอร์ และใช้ตลาดไอทีที่มีผลตอบแทนสูงเพื่อรักษาไว้ 3. การควบคุมการทำงานร่วมกันของหุ่นยนต์หลายตัว – สามารถตั้งโปรแกรมและประสานงานและซิงโครไนซ์หุ่นยนต์หลายตัวได้แบบเรียลไทม์ผ่านตัวควบคุม ซึ่งช่วยให้หุ่นยนต์ทำงานร่วมกันได้อย่างแม่นยำในพื้นที่ทำงานเดียว 4. การใช้ระบบการมองเห็นอย่างแพร่หลาย – ระบบการมองเห็นสำหรับการจดจำวัตถุ การวางตำแหน่ง และการควบคุมคุณภาพกำลังกลายมาเป็นส่วนหนึ่งของตัวควบคุมหุ่นยนต์มากขึ้นเรื่อยๆ 5. การเชื่อมต่อเครือข่ายและการควบคุมระยะไกล – หุ่นยนต์เชื่อมต่อกับเครือข่ายผ่านฟิลด์บัสหรืออีเทอร์เน็ตเพื่อการควบคุม การกำหนดค่า และการบำรุงรักษาที่ดีขึ้น 6. รูปแบบธุรกิจใหม่ – แผนการเงินใหม่ช่วยให้ผู้ใช้ปลายทางสามารถเช่าหุ่นยนต์หรือให้บริษัทมืออาชีพหรือแม้แต่ผู้ให้บริการหุ่นยนต์ควบคุมหน่วยหุ่นยนต์ ซึ่งสามารถลดความเสี่ยงในการลงทุนและประหยัดเงินได้ 7. การเผยแพร่การฝึกอบรมและการศึกษา – การฝึกอบรมและการเรียนรู้ได้กลายเป็นบริการที่สำคัญสำหรับผู้ใช้ปลายทางมากขึ้นในการจดจำหุ่นยนต์ – สื่อและหลักสูตรมัลติมีเดียระดับมืออาชีพได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ความรู้แก่วิศวกรและแรงงานเพื่อให้สามารถวางแผน โปรแกรม ดำเนินการ และบำรุงรักษาหน่วยหุ่นยนต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

-