لماذا توفر البراغي الكوكبية الأداء الأعلى في الروبوتات

ربما لم تسمع عن البراغي الكوكبية، لكن هذه المحركات اللولبية المدمجة عالية الكفاءة تُعد تقنية مهمة في تصنيع الأجهزة والمنتجات اليومية. في الواقع، ربما يتضمن تصنيع سيارتك وتجميعها أكثر من 20 برغيًا كوكبيًا تؤدي وظائف مثل الختم وثني الأنابيب والتثبيت بالبراشيم.

لكن البراغي الكوكبية لا تقتصر على صناعة السيارات والصناعات الثقيلة مثل الحقن بالضغط والتشغيل الآلي. على العكس، تستطيع البراغي الكوكبية تحقيق أصغر الإزاحات (الحركات) بين جميع تقنيات البراغي، مع الحفاظ على تشغيل هادئ للغاية وسلس، ما يجعلها مثالية لتطبيقات متنوعة في مجال الروبوتات.

ما تحتاجه الروبوتات: كفاءة عالية وحجم مدمج

عند الحديث عن تقنيات البراغي عالية الدقة، هناك ثلاثة خيارات رئيسية: البراغي المنزلقة، والبراغي الكروية، والبراغي الكوكبية. تتميز البراغي المنزلقة بتنوعها في التصميم والمواد، لكن كفاءتها وقدرتها على تحمل الأحمال منخفضة نسبيًا. تتمتع أزواج البراغي الكروية بكفاءة جيدة، لكن عندما يتطلب التطبيق قطرًا صغيرًا للبرغي وخطوة صغيرة، تتأثر قدرة تحمل الحمل، لأن الكرات الحاملة للحمل يجب أن تكون صغيرة جدًا أيضًا. 

أما البراغي الكوكبية فتتميز بقوة دفع جيدة في حجم مدمج، إضافة إلى كفاءة متفوقة، وهي الأفضل بين جميع الخيارات الممكنة. مثال توضيحي: عند مقارنة قيم قدرة تحمل الحمل والكفاءة لتقنيات براغي مختلفة بالقطر نفسه (كلها بخطوة 1 مم)، يتمتع نظام النقل بالبراغي الكوكبية بقدرة تحمل أعلى أربع مرات من نظام النقل بالبراغي الكروية، وكفاءة أعلى مرتين من البرغي المنزلق. 

هذا المزيج من خصائص التشغيل والتصميم يجعل البراغي الكوكبية حلًا مثاليًا للعديد من تطبيقات الروبوتات والتطبيقات المرتبطة بها. على سبيل المثال، تستفيد الروبوتات التي تستخدم التنشيط الخطي لتحريك المفاصل (على غرار طريقة تحكم العضلة ذات الرأسين في حركة الساعد لديك) من قدرة تحمل أعلى ووزن أقل لمحركات البراغي الكوكبية.

في تطبيقات قبضات الروبوتات، يمكن للبراغي الكوكبية توفير مستويات عالية للغاية من قوة الإمساك اللازمة للقبض المحكم، ويمكنها تحقيق ذلك بأقل عزم دوران للمدخل. يكمن مفتاح هذا المزيج من القوة العالية وعزم الدوران المنخفض للمدخل في استخدام برغي ذي خطوة صغيرة جدًا.

يمكن أيضًا استخدام البراغي الكوكبية في الأدوات الروبوتية على طرف الذراع الآلية. في هذه التطبيقات، تمنح قدرة نظام النقل بالبراغي الكوكبية على توليد قوة كبيرة في هيكل صغير ميزة مقارنةً بالحلول الأخرى. ويرجع ذلك إلى أن الحفاظ على وزن منخفض أمر بالغ الأهمية للمكونات الموجودة على طرف ذراع الروبوت. 

الأحمال الثقيلة الموجودة على طرف ذراع الروبوت تولد قصورًا ذاتيًا كبيرًا، ما يصعّب التحكم الدقيق في حركة الروبوت، ويتطلب في بعض الحالات محركات أكبر ومكونات نقل حركة أخرى. هذه النسبة الممتازة بين القدرة والوزن هي السبب الرئيسي الذي يجعل روبوتات اللحام النقطي وآلات التثبيت الآلي تستخدم البراغي الكوكبية في تشغيلها بالغالب.

اتجاهات في الروبوتات

أدت الحوسبة الحديثة وأساليب التصنيع وتقنيات البطاريات إلى تقدم سريع في مجالي الأتمتة والكهربة، ما أتاح تطبيقات روبوتية ومتنقلة جديدة كثيرة لم تكن ممكنة قبل بضع سنوات فقط. ومن الأمثلة على ذلك تطوير الأطراف الصناعية النشطة (أطراف تعمل بالمحركات)، التي تحسّن بشكل كبير أداء حركة الأشخاص مبتوري الأطراف.

على عكس الروبوتات الصناعية الكبيرة، التي يستخدم كل مفصل فيها محركه ومخفض سرعته الخاص، تستخدم كثير من الأطراف الصناعية النشطة محركًا خطيًا لولبيًا، ما يتيح بناء تصاميم أصغر وأخف وأكثر متانة. ورغم أن الأطراف النشطة قد تستخدم أنواعًا مختلفة من البراغي، تتمتع البراغي الكوكبية بميزة مهمة مقارنةً بالتقنيات الأخرى، وهي نسبة أداء إلى حجم لا مثيل لها. 

على سبيل المثال، يمكن لبرغي كوكبي بقطر 3.5 مم فقط، أي صغير بما يكفي ليتسع في راحة اليد، أن يدفع أحمالًا تصل إلى 227 كغ، وأن ينفذ حركات بمدى الميكرون وما دون الميكرون، لمحاكاة المفاصل والأصابع البشرية بشكل أفضل.

الهياكل الخارجية الكهروميكانيكية تقنية روبوتية أخرى تتطور بسرعة. وفقًا للتوقعات، سينمو سوق الهياكل الخارجية بأكثر من 46% بين عامي 2021 و2026، وستستحوذ الهياكل الخارجية النشطة على حصة كبيرة من هذا النمو (مقارنةً بالهياكل الخارجية السلبية).

رغم أننا نود أن نتمكن من برمجة الروبوتات لأداء أي مهمة يدوية تكون شاقة أو خطيرة جدًا على البشر، إلا أن هناك متغيرات كثيرة تجعل ذلك غير عملي لمهام عديدة، مثل تقليم الأغصان من الأشجار في الحدائق السكنية. الحل هو هيكل خارجي يتحكم فيه الإنسان أو روبوت يُدار بشكل نشط. 

يجمع ذلك بين قرار يتخذه الإنسان مع مخاطر أقل، وإصابات أقل، وقدرة تحمل أعلى. وكما هو الحال في الأطراف الصناعية، تواجه الهياكل الخارجية قيودًا تصميمية مرتبطة بالوزن والحجم والتعقيد. وهنا تجعل النسبة العالية جدًا بين القوة والحجم والوزن البراغي الكوكبية حلًا مثاليًا.

وكلما أصبح تطبيق الروبوت أصغر وأكثر قابلية للحركة، أصبحت عوامل مثل استهلاك الطاقة والحجم والوزن أكثر تقييدًا. سواء كانت طائرات مسيّرة أو مركبات تحت مائية ذاتية التشغيل (AUV) أو مركبات فضائية جوالة، فالمتطلبات واحدة: كفاءة عالية ومتانة وموثوقية مع أقل مساحة ممكنة.