1.1 Raziskovalno ozadje
Z naglim napredkom znanosti in tehnologije,inteligentne zmogljivostiše naprej izboljšujejo, zaradi česar pametna proizvodnja postaja prevladujoč trend v industrijskem razvoju. Podatki, ki jih je objavilo kitajsko ministrstvo za informacijsko industrijo, na primer kažejo, da je domača pametna proizvodnja v letu 2023 dosegla izjemno 11,6-odstotno rast – kar priča o nenehnih prizadevanjih države in tehnoloških inovacijah na tem področju. Poleg tega se je število inovacij med podjetji za pametno proizvodnjo znatno povečalo in zajema sektorje, kot so proizvodnja vrhunske opreme, napredni materiali in okoljske tehnologije, kar odraža vitalnost in globoko preobrazbo industrije. Ta trend ni le revolucioniral tradicionalnih proizvodnih metod, temveč je tudi pospešil industrijsko nadgradnjo, s čimer je izboljšal tako učinkovitost kot kakovost. Avtomatizirane proizvodne linije in industrijski roboti vse bolj nadomeščajo človeško delo.
Z napredkomdoba inteligentne proizvodnjeVisoko avtomatizirane in inteligentne tehnološke značilnosti industrijskih robotov se popolnoma ujemajo z naraščajočimi zahtevami proizvodne industrije po visoki natančnosti, enostavnosti upravljanja in prilagodljivosti proizvodnih procesov. To je povečalo njihov pomen v proizvodnji in jih naredilo za ključno gonilno silo industrijske preobrazbe in nadgradnje. Kolaborativni roboti – industrijske naprave, ki so sposobne doseči sodelovanje tako med stroji kot med človekom in robotom – so se zaradi svojega avtonomnega vedenja in sodelovalnih zmogljivosti pojavile kot ključno področje raziskav robotike, kar jih postavlja v položaj, da igrajo prevladujočo vlogo v prihodnji industrijski robotiki. V tehnologiji kolaborativnih robotov metrike delovanja servo motorjev – vključno s hitrostjo odziva navora, natančnostjo navora, natančnostjo pozicioniranja, porabo energije in temperaturno stabilnostjo – neposredno določajo učinkovitost, stabilnost in natančnost gibanja robota. Kot jedro moči robotov delovanje servo sistemov kritično vpliva na natančnost in zanesljivost gibanja. Predvsem sklepni servo motorji igrajo ključno vlogo pri doseganju natančnosti pozicioniranja. Odličen sklepni servo motor zagotavlja natančno pozicioniranje in stabilno gibanje med kompleksnimi nalogami, s čimer se poveča operativna učinkovitost in zmanjšajo napake.
»14. petletni načrt za razvoj robotske industrije« poudarja napredek raziskav inteligentnih integriranih robotskih sklepov, pri čemer so takšni sklepi še posebej primerni za sodelovalne robote. Njihov visoko integriran koncept zasnove vključuje osnovne aktuatorje, senzorje in gonilnike neposredno v sam sklep, s čimer vsak sklep spremeni v samostojno krmilno enoto. Z optimizacijo notranje strukture in postavitve porazdeljena krmilna arhitektura znatno zmanjša število kablov med različnimi nivoji sistema, s čimer se znižajo stroški vzdrževanja in poveča splošna zanesljivost. Modularna zasnova omogoča tudi lažjo zamenjavo in vzdrževanje sklepov, kar znatno poveča tržno konkurenčnost sodelovalnih robotov.
Thekoncept kolaborativnih robotovje bil prvič predstavljen leta 1996, njegova filozofija zasnove pa je revolucionirala tradicionalno robotiko z omogočanjem usklajenih operacij med roboti in ljudmi na proizvodnih linijah. Ta sodelovalni pristop ne le izkorišča učinkovitost in natančnost robotov, temveč tudi integrira človeško inteligenco in fleksibilnost, kar izboljša operativno učinkovitost in pretočnost. V primerjavi s konvencionalnimi industrijskimi roboti imajo sodelovalni roboti posebne značilnosti in se uveljavljajo kot pomembna podkategorija na področju robotike. Tako njihove fizične strukture kot krmilni sistemi so bili deležni znatnih sprememb. Tradicionalni industrijski roboti – kot so konfiguracije robotske roke, prikazane na sliki 1 – se uporabljajo predvsem pri paletiranju, ravnanju z materiali, varjenju in laserskem rezanju. Čeprav imajo ti roboti visoko togost, strukturno stabilnost in veliko nosilnost, imajo tudi omejitve: relativno veliko velikost in maso, znatno vztrajnost gibanja, zajetne zasnove s slabo fleksibilnostjo in nezmožnost opravljanja zelo agilnih montažnih nalog. Poleg tega njihov znaten vztrajnostni moment in hitri gibi predstavljajo precejšnja varnostna tveganja za osebje v njihovem operativnem radiju, kar zahteva delovanje v zaprtih prostorih.
Slika 1 Tradicionalne industrijske robotske roke in kolaborativni roboti
Kolaborativni roboti omogočajo sočasno delovanje z ljudmi v skupnih prostorih in olajšajo interakcijo na bližnji razdalji znotraj sodelovalnih območij. V primerjavi s tradicionalnimi robotskimi rokami imajo sodelovalni roboti običajno največjo obremenitev 20 kg na svojem končnem efektorju, z operativnim dosegom, primerljivim z dosegom človeške roke. Njihova struktura je enostavnejša od strukture običajnih industrijskih robotskih rok, saj jih odlikujejo kompleksni mehanizmi prenosa, hkrati pa ponujajo občutljivo povratno informacijo o sili, lahkotno in fleksibilno težo ter robustne zaznavne zmogljivosti. Te lastnosti jim omogočajo dinamično prilagajanje sile med interakcijami s človeškimi ljudmi, kar učinkovito preprečuje nasilne poškodbe. Posledično lahko sodelovalni roboti varno sodelujejo z ljudmi pri opravljanju nalog brez potrebe po tradicionalnih varnostnih ovirah.
Kolaborativni roboti sodelujejo v operacijah z neposrednim stikom s človekom; zato je varnost nepogrešljiva zahteva pri sodelovanju med človekom in robotom. Bistveno je strogo nadzorovati operativno moč in vrtilni navor, hkrati pa uporabljati tehnične ukrepe, kot so nadzor toka, nadzor navora, kontaktni senzorji in zaznavanje trkov, da se preprečijo poškodbe osebja. Tudi inteligentni sistemi za krmiljenje pogona robotov zahtevajo nadaljnjo optimizacijo za upravljanje varnosti, ki omogoča prilagodljivo in gladko krmiljenje z dinamičnimi izračuni in modeliranjem na podlagi opazovalca.
Mednarodna zveza za robotiko (IFR) je v nedavni študiji poudarila, da bo prihodnji razvoj robotov kazal predvsem trende v smeri preprostosti, enostavnosti uporabe, prilagodljivosti in varnega sodelovanja. Industrijski roboti bodo postopoma dosegali višje stopnje avtomatizacije in inteligence; njihova uporabniku prijazna zasnova bo znižala operativne ovire, kar bo več podjetjem omogočilo, da brez težav izkoristijo robotsko tehnologijo za povečanje učinkovitosti proizvodnje. Hkrati bodo zasnove s prilagodljivostjo in zmožnostmi varnega sodelovanja robotom omogočile boljše prilagajanje raznolikim in kompleksnim proizvodnim okoljem, kar bo olajšalo sodelovanje med človekom in robotom ter dodatno pospešilo inteligenten in učinkovit razvoj industrijske proizvodnje.
Slika 2: Delovno območje kolaborativnega robota
1.2 Pomen raziskave
Na trenutnem trgu sodelovalne robotike so roboti s sedmimi stopnjami svobode priljubljeni zaradi svojega širokega operativnega obsega in prilagodljivosti. Ti roboti zagotavljajo redundantne stopnje svobode, kar ponuja večji potencial za industrijsko avtomatizacijo in pametno proizvodnjo. Vsaka stopnja svobode se doseže z robotskim sklepom, ki služi kot ključni dejavnik pri določanju robotske zmogljivosti. Štirje glavni proizvajalci – FANUC, ABB, Yaskawa in KUKA – v svojih tradicionalnih industrijskih robotskih rokah uporabljajo vsak svoj prenosni sistem; vendar v bistvu uporabljajo servo motorje, povezane s stožčastimi zobniki, čelnimi zobniki ali sinhronimi jermeni, za prenos moči na sklepe za vrtenje. Te metode prenosa omejujejo velikost robotskih sklepov. Čeprav je doseganje visoke natančnosti mogoče, ostaja miniaturizacija izziv. Kot je prikazano na sliki 3, tradicionalni industrijski roboti zahtevajo zunanje krmilne omare, ki vsebujejo servo pogone motorjev, s številnimi žicami, ki povezujejo vsak motor z omarico, kar omejuje prilagodljivo namestitev krmilnih sistemov.
Slika 3 Tradicionalni industrijski robot in krmilna omara
Glede na to, da tradicionalne konfiguracije spojev industrijskih robotskih rok ne morejo več izpolnjevati zahtev kolaborativnih robotov, so ti spoji opustili konvencionalne prenosne mehanizme v korist nove filozofije oblikovanja. Ta pristop se osredotoča na doseganje lahkih, nizkonapetostnih in visoko integriranih sistemov z integracijo krmilnika, servo gonilnika in motorja znotraj samega spoja, pri čemer so notranje izvedene tudi osnovne električne povezave. Zunaj je izpostavljenega le minimalno število krmilnih vmesnikov, kar poenostavlja zunanje ožičenje in zmanjšuje inženirsko kompleksnost. Takšna zasnova se imenuje integrirani spoj.
Glede na trenutne razvojne potrebe in trende na področju kolaborativnih robotskih spojev je še posebej ključnega pomena zasnova lahkega, nizkonapetostnega, visoko integriranega in visokozmogljivega integriranega kolaborativnega robotskega spoja. Tak integriran spoj vključuje vse bistvene komponente, potrebne za gibanje spoja – vključno z aktuatorji, krmilniki, gonilniki in senzorji – in lahko deluje neodvisno kot samostojni modul. Ko je ta zelo kohezivna, a nizko sklopljiva zasnova povezana z glavnim krmilnikom ali drugimi moduli prek preprostih napajalnih in krmilnih vodil, znatno izboljša skalabilnost kolaborativnih robotov. Z uporabo tega integriranega modularnega spoja in njegovim združevanjem z ustrezno velikimi robotskimi rokami in končnimi efektorji je mogoče enostavno sestaviti kolaborativne robote, prilagojene različnim zahtevam.
Slika 4 Shematski diagram modularnega spoja
Raziskave integriranih spojev za sodelovalne robote in njihovih servo krmilnih sistemov so zelo pomembne za napredek sodelovalne robotike. Osrednje tehnologije teh integriranih spojev sestavljata dve ključni komponenti: harmonski reduktorji in sistemi za krmiljenje pogona in motorja s sklepi skupaj z ustreznimi krmilnimi algoritmi. Podjetje Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. se osredotoča na sisteme za krmiljenje pogona in motorja s sklepi za sodelovalne robote in izvaja poglobljene študije o mehanizmih za pogon in krmiljenje motorjev s sklepi. Podjetje razvija vrsto visoko inteligentnih integriranih robotskih spojev in motorjev, ki omogočajo bolj prilagodljive in zanesljive krmilne zmogljivosti za sodelovalne robotske spoje, hkrati pa vključujejo ključne funkcije, kot so samozaznavanje, inteligentno odločanje, spretno izvajanje in natančno krmiljenje – s čimer izpolnjujejo zahteve razvoja pametne opreme.
2 Trenutno stanje raziskav doma in v tujini
Leta 1956 sta ameriški fizik Joe Engelberger in izumitelj George Devol ustanovila podjetje za robotiko z imenom Unimation, ki je leta 1959 uspešno razvilo prvega industrijskega robota na svetu – Unimate.
General Motors je robote v industrijski proizvodnji prvič uporabil leta 1961 v svojem obratu v New Jerseyju. Leta 1969 je Japonska uvedla robote podjetja Unimation, kasneje pa je njihovo tehnologijo licencirala podjetjema Kawasaki Heavy Industries in KUKAI Corporation s sedežem v Združenem kraljestvu za proizvodnjo robotov na Japonskem oziroma v Združenem kraljestvu. Z napredkom japonske avtomobilske industrije je vse več robotov nadomestilo človeško delo v proizvodnji, kar je v celoti dokazalo njihovo praktično vrednost. Posledično Japonska daje vse večji poudarek razvoju industrijske robotike. Začenši s podjetjem Kawasaki Heavy Industries kot pionirjem pri uvajanju robotske tehnologije, ki mu je sledil pojav svetovno znanih robotskih podjetij, kot sta FANUC in Yaskawa, je Japonska postala ena od držav, ki obvladujejo najsodobnejše robotske tehnologije po vsem svetu.
Leta 1973 je nemško podjetje KUKA predelalo robota Unimate in ustvarilo prvega robota s šestimi stopnjami prostosti, Famulus, ki ga je poganjal elektromotor. Leta 1974 je ASEA (predhodnik podjetja ABB), švedsko podjetje za splošno elektrotehniko, razvilo prvega popolnoma električnega robota na svetu, IRB 6, ki ga je krmilil mikroprocesor, kar je znatno izboljšalo robotsko inteligenco. Leta 1978 je ameriško podjetje Unimation Company široko uporabilo svojega industrijskega robota PUMA na montažnih linijah General Motorsa, kar je dodatno dokazalo praktičnost in vrednost industrijskih robotov ter zaznamovalo polno zrelost tehnologije industrijske robotike, s čimer je postavilo trdne temelje za poznejši tehnološki napredek.
V več kot štirih desetletjih razvoja industrijske robotike je tehnološki napredek nenehen. Vendar pa so roboti zaradi varnostnih razlogov običajno pritrjeni na določene delovne postaje in izolirani z varovalnimi ograjami, kar jim preprečuje delo z ljudmi v istem prostoru. Ta tradicionalna konfiguracija omejuje sodelovanje med človekom in robotom, zaradi česar je težko doseči resnično učinkovito sodelovanje. Kljub številnim poskusom in raziskavam ostaja doseganje varnega sodelovanja med človekom in robotom velik izziv na področju industrijske robotike.
Šele leta 2005 je velik projekt, ki ga je financirala EU, predstavil koncept kolaborativnih robotov. Pobuda je združila vodilna podjetja na področju industrijske robotike, kot so ABB, KUKA, Reis, Comau in Gudel, da bi skupaj razvili cenovno dostopnega, kompaktnega in prilagodljivega robota, posebej zasnovanega za mala in srednje velika podjetja, s ciljem zmanjšanja odvisnosti od zunanjega izvajanja delovne sile. Ta projekt je izrecno poudaril potencial sodelovanja med človekom in robotom ter postavil trdne temelje za koncept kolaborativnih robotov.
Zgodnji kolaborativni roboti so bili predvsem modifikacije in aplikacije tradicionalnih industrijskih robotov, ne da bi bistveno spremenili njihovo filozofijo zasnove ali načine delovanja. Podjetje Universal Robots se od svoje ustanovitve leta 2005 posveča razvoju kolaborativnih robotov, ki so sposobni varno delati skupaj s človeškimi delavci. Leta 2009 je podjetje predstavilo UR5 – prvega kolaborativnega robota na svetu –, ki je zaznamoval začetek te dobe. Nato je Rethink predstavil dvoročni Baxter in novega enoročniga Sawyerja, s čimer je kolaborativno robotiko postopoma uveljavil kot priznano in sprejeto disciplino znotraj industrijske robotike. Ta napredek je prinesel nove vpoglede in smernice za prihodnjo industrijsko avtomatizacijo in inteligentni razvoj.
Slika 5: Robot UR5 in robot Sawyer Baxter
Podjetje Siasun Robot Company, povezano z Inštitutom za avtomatizacijo Shenyang Kitajske akademije znanosti, je na industrijskem sejmu novembra 2015 prvič predstavilo sedemosnega fleksibilnega kolaborativnega robota, ki predstavlja napredno tehnološko raven Kitajske. Od takrat so številni domači modeli kolaborativnih robotov, kot sta Luoshi in Aobo, postopoma pridobili prepoznavnost.
Kar zadeva robotske sklepe, je glavna razlika med sklepi kolaborativnih robotov in sklepi tradicionalnih težkih industrijskih robotov njihova »fleksibilnost«. Ta fleksibilnost se kaže v manjši mehanski togosti, zmanjšani vztrajnosti in sposobnosti zaznavanja navora. Trenutno fleksibilnost sklepov, ki se uporablja v kolaborativnih robotskih rokah, izhaja predvsem iz natančnega nadzora položaja in nadzora navora.
Slika 6 Tipična struktura integriranega sklepa v kolaborativnih robotih
Pregled trenutnih raziskav kaže, da se je razvoj robotike na Kitajskem začel pozneje kot v državah, kot sta Združene države Amerike in Japonska. Raziskave na področju kolaborativnih robotov še vedno precej zaostajajo za obstoječimi mednarodnimi izdelki, pri čemer so ključna ozka grla v harmoničnih reduktorjih in sistemih za krmiljenje pogonskih motorjev s sklepi. Domači kolaborativni roboti imajo trenutno veliko prostora za izboljšave v zmogljivostih krmiljenja sklepov, zlasti glede natančnosti krmiljenja in inteligentnega krmiljenja. Poleg tega svetovni trendi raziskav robotike kažejo, da so varnost, fleksibilnost in inteligenca prevladujoče značilnosti tehnološkega napredka. Robotski sklepi se razvijajo v smeri visoko integriranih sistemov za krmiljenje pogona in večje inteligence. Čeprav so kolaborativni robotski sklepi prešli iz tradicionalnega centraliziranega krmiljenja v porazdeljene arhitekture za krmiljenje pogona, trenutno izvajajo le motorno gnana dejanja, pri čemer jim manjkajo zmogljivosti avtonomnega zaznavanja, inteligentnega odločanja in spretnega izvajanja, kar ima za posledico relativno nizko raven inteligence. Še vedno obstaja velik potencial za povečanje povpraševanja po inteligentnih robotskih sistemih.
Čas objave: 22. maj 2026
