1.1 Podłoże badawcze
Dzięki szybkiemu rozwojowi nauki i technologii,inteligentne możliwościNadal się rozwijają, czyniąc inteligentną produkcję dominującym trendem w rozwoju przemysłu. Na przykład, dane opublikowane przez chińskie Ministerstwo Przemysłu Informacyjnego pokazują, że krajowa inteligentna produkcja osiągnęła imponujący wzrost o 11,6% w 2023 roku – co świadczy o nieustannych wysiłkach i innowacjach technologicznych w tym obszarze. Co więcej, liczba innowacji wśród przedsiębiorstw zajmujących się inteligentną produkcją znacząco wzrosła, obejmując sektory takie jak produkcja wysokiej klasy sprzętu, zaawansowane materiały i technologie środowiskowe, odzwierciedlając witalność i głęboką transformację branży. Trend ten nie tylko zrewolucjonizował tradycyjne metody produkcji, ale także przyspieszył modernizację przemysłu, zwiększając zarówno wydajność, jak i jakość. Coraz częściej zautomatyzowane linie produkcyjne i roboty przemysłowe zastępują pracę ludzką.
Wraz z postępemera inteligentnej produkcjiWysoce zautomatyzowane i inteligentne funkcje technologiczne robotów przemysłowych idealnie wpisują się w rosnące zapotrzebowanie przemysłu wytwórczego na wysoką precyzję, łatwość obsługi i elastyczność procesów produkcyjnych. Zwiększyło to ich znaczenie w produkcji, czyniąc z nich kluczową siłę napędową transformacji i modernizacji przemysłu. Roboty współpracujące – urządzenia przemysłowe zdolne do współpracy zarówno maszyna-maszyna, jak i człowiek-robot – stały się kluczowym obszarem badań nad robotyką ze względu na ich autonomiczne zachowanie i możliwości współpracy, co stawia je w pozycji dominującej roli w przyszłej robotyce przemysłowej. W technologii robotów współpracujących parametry wydajności serwosilników – w tym szybkość reakcji momentu obrotowego, dokładność momentu obrotowego, precyzja pozycjonowania, zużycie energii i stabilność temperaturowa – bezpośrednio decydują o wydajności, stabilności i dokładności ruchu robota. Jako rdzeń napędowy robotów, wydajność serwosilników ma krytyczny wpływ na precyzję i niezawodność ruchu. Co istotne, serwosilniki przegubowe odgrywają kluczową rolę w osiąganiu dokładności pozycjonowania. Doskonały serwosilnik przegubowy zapewnia precyzyjne pozycjonowanie i stabilny ruch podczas złożonych zadań, zwiększając w ten sposób wydajność operacyjną i minimalizując błędy.
„14. Pięcioletni Plan Rozwoju Przemysłu Robotyki” kładzie nacisk na rozwój badań nad inteligentnymi, zintegrowanymi przegubami robotów, które są szczególnie odpowiednie dla robotów współpracujących. Ich wysoce zintegrowana koncepcja konstrukcyjna obejmuje siłowniki, czujniki i sterowniki bezpośrednio w samym przegubie, przekształcając każdy przegub w samodzielną jednostkę sterującą. Dzięki optymalizacji struktury wewnętrznej i układu, rozproszona architektura sterowania znacznie redukuje liczbę kabli między różnymi poziomami systemu, obniżając tym samym koszty konserwacji i zwiększając ogólną niezawodność. Modułowa konstrukcja ułatwia również wymianę i konserwację przegubów, znacząco zwiększając konkurencyjność rynkową robotów współpracujących.
Tenkoncepcja robotów współpracującychRoboty współpracujące zostały wprowadzone po raz pierwszy w 1996 roku, a ich filozofia projektowania zrewolucjonizowała tradycyjną robotykę, umożliwiając skoordynowane działania robotów i ludzi na liniach produkcyjnych. To podejście oparte na współpracy nie tylko wykorzystuje wydajność i precyzję robotów, ale także integruje ludzką inteligencję i elastyczność, zwiększając wydajność operacyjną i płynność. W porównaniu z konwencjonalnymi robotami przemysłowymi, roboty współpracujące charakteryzują się odmiennymi cechami, stając się znaczącą podkategorią w dziedzinie robotyki. Zarówno ich konstrukcje fizyczne, jak i systemy sterowania uległy znacznym modyfikacjom. Tradycyjne roboty przemysłowe – takie jak konfiguracje ramion robotycznych przedstawione na rysunku 1 – są wykorzystywane głównie w zastosowaniach związanych z paletyzacją, przenoszeniem materiałów, spawaniem i cięciem laserowym. Chociaż roboty te charakteryzują się wysoką sztywnością, stabilnością strukturalną i dużą nośnością, mają również ograniczenia: stosunkowo duże rozmiary i masę, znaczną bezwładność ruchu, nieporęczne konstrukcje o niskiej elastyczności oraz niezdolność do wykonywania wysoce zwinnych zadań montażowych. Ponadto, ich znaczny moment bezwładności i szybkie ruchy stanowią poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa personelu w promieniu ich działania, co wymaga pracy w zamkniętych przestrzeniach.
Rysunek 1 Tradycyjne ramiona robotów przemysłowych i roboty współpracujące
Roboty współpracujące umożliwiają jednoczesną pracę z ludźmi w przestrzeniach współdzielonych i ułatwiają interakcję bliskiego zasięgu w strefach współpracy. W porównaniu z tradycyjnymi ramionami robotycznymi, roboty współpracujące zazwyczaj unoszą maksymalny udźwig 20 kg na efektorze końcowym, a ich zasięg działania jest porównywalny z zasięgiem ramienia człowieka. Ich konstrukcja jest prostsza niż w przypadku konwencjonalnych ramion robotycznych do zastosowań przemysłowych, charakteryzujących się złożonymi mechanizmami przeniesienia napędu, a jednocześnie oferują czułe sprzężenie zwrotne siły, lekkość i elastyczność oraz solidne możliwości percepcyjne. Cechy te pozwalają im dynamicznie dostosowywać siłę podczas interakcji z ludźmi, skutecznie zapobiegając gwałtownym uszkodzeniom. W rezultacie roboty współpracujące mogą bezpiecznie współpracować z ludźmi, wykonując zadania bez konieczności stosowania tradycyjnych barier bezpieczeństwa.
Roboty współpracujące wykonują operacje w bezpośrednim kontakcie z człowiekiem, dlatego bezpieczeństwo jest niezbędnym wymogiem współpracy między człowiekiem a robotem. Niezbędna jest ścisła kontrola mocy operacyjnej i momentu obrotowego, przy jednoczesnym stosowaniu środków technicznych, takich jak regulacja prądu, kontrola momentu obrotowego, czujniki kontaktu i detekcja kolizji, aby zapobiec obrażeniom personelu. Inteligentne systemy sterowania napędem robotów również wymagają dalszej optymalizacji pod kątem zarządzania bezpieczeństwem, umożliwiając adaptacyjne, płynne sterowanie poprzez dynamiczne obliczenia i modelowanie oparte na obserwatorach.
W niedawnym badaniu Międzynarodowa Federacja Robotyki (IFR) podkreśliła, że przyszły rozwój robotów będzie charakteryzował się przede wszystkim tendencjami w kierunku prostoty, łatwości obsługi, elastyczności i bezpiecznej współpracy. Roboty przemysłowe będą stopniowo osiągać wyższy poziom automatyzacji i inteligencji; ich przyjazna użytkownikowi konstrukcja obniży bariery operacyjne, umożliwiając większej liczbie przedsiębiorstw bezproblemowe wykorzystanie technologii robotyki w celu zwiększenia efektywności produkcji. Jednocześnie, konstrukcje charakteryzujące się elastycznością i możliwością bezpiecznej współpracy umożliwią robotom lepszą adaptację do zróżnicowanych i złożonych środowisk produkcyjnych, ułatwiając współpracę między człowiekiem a robotem i przyczyniając się do inteligentnego i efektywnego rozwoju produkcji przemysłowej.
Rysunek 2: Obszar roboczy robota współpracującego
1.2 Znaczenie badań
Na obecnym rynku robotyki współpracującej, roboty o siedmiu stopniach swobody są preferowane ze względu na ich szeroki zakres działania i elastyczność. Roboty te zapewniają redundantne stopnie swobody, oferując większy potencjał dla automatyzacji przemysłowej i inteligentnej produkcji. Każdy stopień swobody jest osiągany poprzez przegub robota, który stanowi kluczowy czynnik decydujący o wydajności robota. Czterech głównych producentów – FANUC, ABB, Yaskawa i KUKA – stosuje w swoich tradycyjnych przemysłowych ramionach robotycznych odrębne układy przekładni; jednak zasadniczo wykorzystują one serwosilniki połączone z przekładniami stożkowymi, zębatymi lub pasami synchronicznymi do przenoszenia mocy na przeguby w celu uzyskania obrotu. Te metody przekładni ograniczają rozmiar przegubów robota. Chociaż osiągnięcie wysokiej precyzji jest możliwe, miniaturyzacja pozostaje wyzwaniem. Jak pokazano na rysunku 3, tradycyjne roboty przemysłowe wymagają zewnętrznych szaf sterowniczych mieszczących serwonapędy silników, z licznymi przewodami łączącymi każdy silnik z szafą, co ogranicza elastyczność wdrażania systemów sterowania.
Rysunek 3 Tradycyjny robot przemysłowy i szafa sterownicza
Biorąc pod uwagę, że tradycyjne konfiguracje połączeń ramion robotów przemysłowych nie są już w stanie sprostać wymaganiom robotów współpracujących, w tych połączeniach zrezygnowano z konwencjonalnych mechanizmów przekładniowych na rzecz nowatorskiej filozofii projektowania. Podejście to koncentruje się na uzyskaniu lekkich, niskonapięciowych i wysoce zintegrowanych systemów poprzez integrację sterownika, serwonapędu i silnika w samym połączeniu, a także wewnętrznie zaimplementowano połączenia elektryczne. Tylko minimalna liczba interfejsów sterujących jest widoczna na zewnątrz, co upraszcza okablowanie i zmniejsza złożoność inżynieryjną. Taka konstrukcja nazywana jest połączeniem zintegrowanym.
Biorąc pod uwagę obecne potrzeby i trendy rozwojowe w dziedzinie przegubów robotów współpracujących, zaprojektowanie lekkiego, niskonapięciowego, wysoce zintegrowanego i wydajnego, zintegrowanego przegubu robota współpracującego jest szczególnie kluczowe. Taki zintegrowany przegub zawiera wszystkie niezbędne komponenty wymagane do ruchu przegubu – w tym siłowniki, kontrolery, sterowniki i czujniki – i może funkcjonować niezależnie jako samodzielny moduł. Po podłączeniu do głównego kontrolera lub innych modułów za pomocą prostych magistral zasilania i sterowania, ta wysoce spójna, a jednocześnie niskosprzęgłowa konstrukcja znacząco zwiększa skalowalność robotów współpracujących. Dzięki wykorzystaniu tego zintegrowanego, modułowego przegubu i połączeniu go z odpowiednio dobranymi ramionami robota i efektorami końcowymi, roboty współpracujące mogą być łatwo montowane w różnych konfiguracjach.
Rysunek 4 Schematyczny diagram modułowego połączenia
Badania nad zintegrowanymi przegubami robotów współpracujących i ich serwomechanizmami sterowania mają istotne znaczenie dla rozwoju robotyki współpracującej. Podstawowe technologie tych zintegrowanych przegubów składają się z dwóch kluczowych komponentów: reduktorów harmonicznych oraz układów napędowo-sterujących silników przegubowych wraz z odpowiadającymi im algorytmami sterowania. Firma Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. koncentruje swoje badania na układach napędowo-sterujących silników przegubowych robotów współpracujących, prowadząc dogłębne badania nad mechanizmami napędowo-sterującymi silników przegubowych. Firma opracowuje serię wysoce inteligentnych, zintegrowanych silników przegubowych robotów, które umożliwiają bardziej elastyczne i niezawodne sterowanie przegubami robotów współpracujących, a jednocześnie zawierają kluczowe funkcje, takie jak samoświadomość, inteligentne podejmowanie decyzji, sprawne działanie i precyzyjne sterowanie – spełniając w ten sposób wymagania rozwoju inteligentnego sprzętu.
2 Aktualny stan badań w kraju i za granicą
W 1956 roku amerykański fizyk Joe Engelberger i wynalazca George Devol założyli firmę robotyczną o nazwie Unimation, która w 1959 roku opracowała pierwszego na świecie robota przemysłowego — Unimate.
General Motors po raz pierwszy wdrożył roboty w produkcji przemysłowej w swoim zakładzie w New Jersey w 1961 roku. W 1969 roku Japonia wprowadziła roboty firmy Unimation, a następnie udzieliła licencji na swoją technologię Kawasaki Heavy Industries i brytyjskiej firmie KUKAI Corporation, które zajmowały się produkcją robotów odpowiednio w Japonii i Wielkiej Brytanii. Wraz z rozwojem japońskiego przemysłu motoryzacyjnego, coraz więcej robotów zastępowało pracę ludzką w produkcji, w pełni demonstrując ich praktyczną wartość. W związku z tym Japonia kładzie coraz większy nacisk na rozwój robotyki przemysłowej. Począwszy od Kawasaki Heavy Industries jako pioniera we wdrażaniu technologii robotyzacji, a następnie poprzez pojawienie się światowej sławy firm robotyki, takich jak FANUC i Yaskawa, Japonia stała się jednym z krajów opanowujących najnowocześniejsze technologie robotyczne na świecie.
W 1973 roku niemiecka firma KUKA zmodyfikowała robota Unimate, tworząc pierwszego robota o sześciu stopniach swobody – Famulusa – napędzanego silnikiem elektrycznym. W 1974 roku ASEA (poprzedniczka ABB), szwedzkiej firmy z branży elektrotechnicznej, opracowała pierwszego na świecie w pełni elektrycznego robota IRB 6, sterowanego mikroprocesorem, co znacząco zwiększyło inteligencję robotów. W 1978 roku amerykańska firma Unimation Company szeroko wdrożyła swojego robota przemysłowego PUMA na liniach montażowych General Motors, co stanowiło kolejny dowód na praktyczność i wartość robotów przemysłowych oraz oznaczało pełną dojrzałość technologii robotyki przemysłowej, kładąc tym samym solidny fundament pod późniejsze postępy technologiczne.
W ciągu ponad czterech dekad rozwoju robotyki przemysłowej, postęp technologiczny był nieustanny. Jednak ze względów bezpieczeństwa roboty są zazwyczaj montowane na konkretnych stanowiskach roboczych i izolowane barierkami, co uniemożliwia im pracę ramię w ramię z ludźmi w tej samej przestrzeni. Ta tradycyjna konfiguracja ogranicza współpracę między człowiekiem a robotem, utrudniając osiągnięcie prawdziwie efektywnej współpracy. Pomimo licznych prób i badań, zapewnienie bezpiecznej współpracy między człowiekiem a robotem pozostaje głównym wyzwaniem w dziedzinie robotyki przemysłowej.
Dopiero w 2005 roku duży projekt finansowany ze środków UE wprowadził koncepcję robotów współpracujących. Inicjatywa ta zgromadziła wiodące firmy z branży robotyki przemysłowej, takie jak ABB, KUKA, Reis, Comau i Gudel, aby wspólnie opracować niedrogiego, kompaktowego i elastycznego robota, zaprojektowanego specjalnie dla małych i średnich przedsiębiorstw, w celu zmniejszenia zależności od outsourcingu siły roboczej. Projekt ten wyraźnie podkreślił potencjał współpracy człowieka z robotem, kładąc solidne podwaliny pod koncepcję robotów współpracujących.
Wczesne roboty współpracujące były przede wszystkim modyfikacjami i zastosowaniami tradycyjnych robotów przemysłowych, bez fundamentalnych zmian w ich filozofii projektowania ani trybach działania. Od momentu powstania w 2005 roku, Universal Robots koncentruje się na rozwoju robotów współpracujących, zdolnych do bezpiecznej pracy z ludźmi. W 2009 roku firma wprowadziła na rynek UR5 – pierwszego na świecie robota współpracującego – zapoczątkowując tę erę. Następnie Rethink wprowadził dwuramiennego robota Baxter oraz nowego jednoramiennego robota Sawyer, stopniowo ugruntowując pozycję robotyki współpracującej jako uznanej i akceptowanej dziedziny robotyki przemysłowej. Ten postęp dostarczył nowych spostrzeżeń i kierunków rozwoju dla przyszłej automatyzacji przemysłowej i inteligentnego rozwoju.
Rysunek 5: Robot UR5 i robot Sawyer Baxter
Firma Siasun Robot Company, powiązana z Instytutem Automatyki Shenyang Chińskiej Akademii Nauk, po raz pierwszy zaprezentowała siedmioosiowego, elastycznego robota współpracującego, reprezentującego zaawansowany poziom technologiczny Chin, na targach Industrial Expo w listopadzie 2015 roku. Od tego czasu liczne krajowe modele robotów współpracujących, takie jak Luoshi i Aobo, stopniowo zyskały uznanie.
Jeśli chodzi o stawy robotów, główną różnicą między stawami robotów współpracujących a stawami tradycyjnych, ciężkich robotów przemysłowych jest ich „elastyczność”. Elastyczność ta przejawia się w mniejszej sztywności mechanicznej, mniejszej bezwładności oraz zdolności do wykrywania momentu obrotowego. Obecnie elastyczność stawów stosowana w ramionach robotów współpracujących wynika przede wszystkim z precyzyjnej kontroli położenia i momentu obrotowego.
Rysunek 6 Typowa struktura zintegrowanego stawu w robotach współpracujących
Przegląd aktualnych badań ujawnia, że rozwój robotyki w Chinach rozpoczął się później niż w krajach takich jak Stany Zjednoczone i Japonia. Badania nad robotami współpracującymi nadal znacznie odstają od istniejących produktów międzynarodowych, a kluczowe wąskie gardła leżą w reduktorach harmonicznych i układach sterowania napędem silnikowym. Krajowe roboty współpracujące mają obecnie znaczny potencjał poprawy możliwości sterowania układami, szczególnie pod względem precyzji i inteligentnego sterowania. Ponadto, globalne trendy badawcze w dziedzinie robotyki wskazują, że bezpieczeństwo, elastyczność i inteligencja to dominujące cechy postępu technologicznego. Stawy robotów ewoluują w kierunku wysoce zintegrowanych systemów sterowania napędem i większej inteligencji. Chociaż stawy robotów współpracujących przeszły transformację z tradycyjnego, scentralizowanego sterowania na rozproszone architektury sterowania napędem, obecnie wykonują one jedynie czynności napędzane silnikiem, nie posiadając zdolności do autonomicznej percepcji, inteligentnego podejmowania decyzji i sprawnego działania – co skutkuje stosunkowo niskim poziomem inteligencji. Nadal istnieje znaczny potencjał wzrostu popytu na inteligentne systemy robotyczne.
Czas publikacji: 22-05-2026
