1.1 Contextul cercetării
Odată cu avansul rapid al științei și tehnologiei,capacități inteligentecontinuă să se îmbunătățească, făcând din producția inteligentă o tendință predominantă în dezvoltarea industrială. De exemplu, datele publicate de Ministerul Industriei Informaționale din China arată că producția inteligentă internă a înregistrat o creștere remarcabilă de 11,6% în 2023 - o dovadă a eforturilor susținute și a inovării tehnologice a națiunii în acest domeniu. În plus, numărul de inovații în rândul întreprinderilor de producție inteligentă a crescut semnificativ, acoperind sectoare precum fabricarea de echipamente de înaltă performanță, materiale avansate și tehnologii de mediu, reflectând vitalitatea și transformarea profundă a industriei. Această tendință nu numai că a revoluționat metodele tradiționale de producție, dar a accelerat și modernizarea industrială, sporind atât eficiența, cât și calitatea. Din ce în ce mai mult, liniile de producție automatizate și roboții industriali înlocuiesc munca umană.
Odată cu avansareaera producției inteligente, caracteristicile tehnologice extrem de automatizate și inteligente ale roboților industriali se aliniază perfect cu cerințele tot mai mari ale industriei prelucrătoare pentru precizie ridicată, ușurință operațională și flexibilitate în procesele de producție. Acest lucru a sporit importanța lor în producție, transformându-i într-o forță esențială care determină transformarea și modernizarea industrială. Roboții colaborativi - dispozitive industriale capabile să realizeze atât colaborarea mașină-mașină, cât și colaborarea om-robot - au devenit un punct cheie în cercetarea roboticii datorită comportamentului lor autonom și capacităților de colaborare, poziționându-i să joace un rol dominant în robotica industrială a viitorului. În tehnologia roboților colaborativi, indicatorii de performanță ai servomotoarelor - inclusiv viteza de răspuns la cuplu, precizia cuplului, precizia poziționării, consumul de energie și stabilitatea temperaturii - determină direct eficiența, stabilitatea și precizia mișcării unui robot. Fiind nucleul de putere al roboților, performanța sistemelor servo au un impact critic asupra preciziei și fiabilității mișcării. În special, servomotoarele articulare joacă un rol esențial în atingerea preciziei poziționării. Un servomotor articular excelent asigură o poziționare precisă și o mișcare stabilă în timpul sarcinilor complexe, sporind astfel eficiența operațională și minimizând erorile.
„Cel de-al 14-lea Plan cincinal pentru dezvoltarea industriei roboților” pune accentul pe avansarea cercetării în domeniul îmbinărilor robotice integrate inteligente, astfel de îmbinări fiind potrivite în special pentru roboții colaborativi. Conceptul lor de design extrem de integrat încorporează actuatoare, senzori și drivere subiacente direct în îmbinare, transformând fiecare îmbinare într-o unitate de control independentă. Prin optimizarea structurii și a amplasării interne, arhitectura de control distribuit reduce semnificativ numărul de cabluri între diferitele niveluri ale sistemului, reducând astfel costurile de întreținere și sporind fiabilitatea generală. Designul modular facilitează, de asemenea, înlocuirea și întreținerea mai ușoară a îmbinărilor, sporind substanțial competitivitatea pieței roboților colaborativi.
Cel/Cea/Cei/Celeconceptul de roboți colaborativia fost introdus pentru prima dată în 1996, filosofia sa de design revoluționând robotica tradițională prin permiterea operațiunilor coordonate între roboți și oameni pe liniile de producție. Această abordare colaborativă nu numai că valorifică eficiența și precizia roboților, dar integrează și inteligența și flexibilitatea umană, sporind eficiența operațională și fluiditatea. Comparativ cu roboții industriali convenționali, roboții colaborativi prezintă caracteristici distincte, impunându-se ca o subcategorie semnificativă în domeniul roboticii. Atât structurile lor fizice, cât și sistemele de control au suferit modificări substanțiale. Roboții industriali tradiționali - cum ar fi configurațiile brațelor robotice prezentate în Figura 1 - sunt utilizați în principal în aplicații de paletizare, manipulare a materialelor, sudare și tăiere cu laser. Deși acești roboți se caracterizează prin rigiditate ridicată, stabilitate structurală și o capacitate portantă puternică, aceștia prezintă și limitări: dimensiuni și masă relativ mari, inerție semnificativă a mișcării, designuri voluminoase cu flexibilitate redusă și incapacitatea de a efectua sarcini de asamblare extrem de agile. În plus, impulsul lor inerțial substanțial și mișcările de mare viteză prezintă riscuri considerabile de siguranță pentru personalul din raza lor operațională, necesitând operarea în zone închise.
Figura 1 Brațe robotice industriale tradiționale și roboți colaborativi
Roboții colaborativi permit operarea simultană cu oamenii în spații comune și facilitează interacțiunea la mică distanță în zonele de colaborare. Comparativ cu brațele robotice tradiționale, roboții colaborativi suportă de obicei o sarcină maximă de 20 kg la nivelul efectorului final, cu o rază de acțiune comparabilă cu cea a unui braț uman. Structura lor este mai simplă decât cea a brațelor robotice industriale convenționale, care prezintă mecanisme complexe de transmisie, oferind în același timp un feedback sensibil al forței, flexibilitate redusă și capacități robuste de percepție. Aceste caracteristici le permit să ajusteze dinamic forța în timpul interacțiunilor umane, prevenind eficient daunele violente. În consecință, roboții colaborativi pot colabora în siguranță cu oamenii pentru a finaliza sarcini fără a necesita bariere de siguranță tradiționale.
Roboții colaborativi se implică în operațiuni de contact direct cu oamenii; prin urmare, siguranța este o cerință indispensabilă în colaborarea om-robot. Este esențial să se controleze cu strictețe puterea operațională și cuplul de rotație, utilizând în același timp măsuri tehnice precum controlul curentului, controlul cuplului, senzorii de contact și detectarea coliziunilor pentru a preveni rănirea personalului. Sistemele inteligente de control al acționării roboților necesită, de asemenea, o optimizare suplimentară pentru managementul siguranței, permițând un control adaptiv și lin prin calcule dinamice și modelare bazată pe observatori.
Într-un studiu recent, Federația Internațională de Robotică (IFR) a subliniat că dezvoltarea viitoare a roboților va prezenta în principal tendințe către simplitate, ușurință în utilizare, flexibilitate și colaborare sigură. Roboții industriali vor atinge progresiv niveluri mai ridicate de automatizare și inteligență; designul lor ușor de utilizat va reduce barierele operaționale, permițând mai multor întreprinderi să utilizeze fără efort tehnologia robotică pentru a spori eficiența producției. Între timp, designurile care oferă flexibilitate și capacități de colaborare sigură vor permite roboților să se adapteze mai bine la medii de producție diverse și complexe, facilitând colaborarea om-robot și avansând în continuare dezvoltarea inteligentă și eficientă a producției industriale.
Figura 2: Zona de lucru a robotului colaborativ
1.2 Importanța cercetării
Pe piața actuală a roboticii colaborative, roboții cu șapte grade de libertate sunt favorizați pentru raza lor operațională extinsă și flexibilitatea lor. Acești roboți oferă grade de libertate redundante, oferind un potențial mai mare pentru automatizarea industrială și fabricația inteligentă. Fiecare grad de libertate este obținut prin intermediul unei articulații robotice, care servește ca factor critic în determinarea performanței robotice. Cei patru producători majori - FANUC, ABB, Yaskawa și KUKA - utilizează fiecare sisteme de transmisie distincte în brațele lor robotice industriale tradiționale; cu toate acestea, aceștia utilizează în esență servomotoare asociate cu angrenaje conice, angrenaje cilindrice sau curele sincrone pentru a transmite puterea către articulații pentru rotație. Aceste metode de transmisie limitează dimensiunea articulațiilor robotice. Deși este posibilă obținerea unei precizii ridicate, miniaturizarea rămâne o provocare. După cum se arată în Figura 3, roboții industriali tradiționali necesită dulapuri de control externe care adăpostesc servomotoare, cu numeroase fire care conectează fiecare motor la dulap, restricționând astfel implementarea flexibilă a sistemelor de control.
Figura 3 Robot industrial tradițional și tablou de comandă
Având în vedere că configurațiile tradiționale ale articulațiilor brațelor robotice industriale nu mai pot îndeplini cerințele roboților colaborativi, aceste articulații au abandonat mecanismele convenționale de transmisie în favoarea unei noi filozofii de design. Această abordare se concentrează pe obținerea unor sisteme ușoare, de joasă tensiune și extrem de integrate, prin integrarea controlerului, servomotorului și motorului în cadrul articulației, conexiunile electrice subiacente fiind implementate și intern. Doar un număr minim de interfețe de control sunt expuse extern, simplificând cablarea externă și reducând complexitatea inginerească. Un astfel de design este denumit articulație integrată.
Având în vedere nevoile și tendințele actuale de dezvoltare în domeniul îmbinărilor roboților colaborativi, proiectarea unei îmbinări robotice colaborative integrate, ușoare, de joasă tensiune, extrem de integrate și de înaltă performanță este deosebit de crucială. O astfel de îmbinare integrată încorporează toate componentele esențiale necesare pentru mișcarea îmbinării - inclusiv actuatoare, controlere, drivere și senzori - și poate funcționa independent ca un modul de sine stătător. Atunci când este conectată la controlerul principal sau la alte module prin intermediul unor magistrale simple de alimentare și control, acest design extrem de coeziv, dar cu cuplare redusă, îmbunătățește semnificativ scalabilitatea roboților colaborativi. Prin utilizarea acestei îmbinări modulare integrate și asocierea ei cu brațe robotice și efectoare finale de dimensiuni adecvate, roboții colaborativi adaptați la diverse cerințe pot fi asamblați cu ușurință.
Figura 4 Schema de ansamblu a îmbinării modulare
Cercetarea privind îmbinările integrate pentru roboți colaborativi și sistemele lor de servocontrol are o importanță semnificativă pentru avansarea roboticii colaborative. Tehnologiile de bază ale acestor îmbinări integrate constau din două componente cheie: reductoare de armonici și sisteme de control al acționării motoarelor articulațiilor, împreună cu algoritmii de control corespunzători. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. își concentrează cercetarea asupra sistemelor de control al acționării motoarelor articulațiilor pentru roboți colaborativi, efectuând studii aprofundate asupra mecanismelor de acționare și control al motoarelor articulațiilor. Compania dezvoltă o serie de produse integrate de motoare pentru îmbinări de roboți, extrem de inteligente, care permit capacități de control mai flexibile și mai fiabile pentru îmbinările roboților colaborativi, încorporând în același timp caracteristici critice, cum ar fi autopercepția, luarea inteligentă a deciziilor, execuția abilă și controlul precis - satisfăcând astfel cerințele dezvoltării echipamentelor inteligente.
2 Stadiul actual al cercetării pe plan intern și internațional
În 1956, fizicianul american Joe Engelberger și inventatorul George Devol au fondat o companie de robotică numită Unimation, care a dezvoltat cu succes primul robot industrial din lume - Unimate - în 1959.
General Motors a implementat pentru prima dată roboți în producția industrială la fabrica sa din New Jersey în 1961. În 1969, Japonia a introdus roboți de la Unimation, licențiind ulterior tehnologia sa către Kawasaki Heavy Industries și KUKAI Corporation, cu sediul în Marea Britanie, pentru operațiuni de fabricație a roboților în Japonia și, respectiv, Marea Britanie. Odată cu avansarea industriei auto japoneze, un număr tot mai mare de roboți au înlocuit munca umană în producție, demonstrându-le pe deplin valoarea practică. În consecință, Japonia a pus un accent tot mai mare pe dezvoltarea roboticii industriale. Începând cu Kawasaki Heavy Industries ca pionier în adoptarea tehnologiei robotizate, urmată de apariția unor companii de robotică de renume mondial, cum ar fi FANUC și Yaskawa, Japonia a devenit una dintre națiunile care stăpânesc tehnologii robotice de ultimă generație la nivel global.
În 1973, compania germană KUKA a modificat robotul Unimate pentru a crea primul robot cu șase grade de libertate, Famulus, alimentat de un motor electric. În 1974, ASEA (predecesorul ABB), o companie suedeză de electricitate generală, a dezvoltat primul robot complet electric din lume, IRB 6, controlat de un microprocesor, îmbunătățind semnificativ inteligența robotică. În 1978, compania americană Unimation a implementat pe scară largă robotul său industrial PUMA pe liniile de asamblare ale General Motors, demonstrând în continuare caracterul practic și valoarea roboților industriali și marcând maturitatea deplină a tehnologiei roboticii industriale, punând astfel o bază solidă pentru progresele tehnologice ulterioare.
De-a lungul celor peste patru decenii de dezvoltare a roboticii industriale, progresele tehnologice au fost continue. Cu toate acestea, din motive de siguranță, roboții sunt de obicei fixați la stații de lucru specifice și izolați de balustrade, împiedicându-i să lucreze alături de oameni în același spațiu. Această configurație tradițională limitează colaborarea om-robot, îngreunând realizarea unor operațiuni de cooperare cu adevărat eficiente. În ciuda numeroaselor încercări și explorări, realizarea unei colaborări sigure om-robot rămâne o provocare majoră în domeniul roboticii industriale.
Abia în 2005, un proiect major finanțat de UE a introdus conceptul de roboți colaborativi. Inițiativa a reunit companii de top din domeniul roboticii industriale, precum ABB, KUKA, Reis, Comau și Gudel, pentru a dezvolta împreună un robot accesibil, compact și flexibil, special conceput pentru întreprinderile mici și mijlocii, cu scopul de a reduce dependența de externalizarea forței de muncă. Acest proiect a evidențiat în mod explicit potențialul colaborării om-robot, punând o bază solidă pentru conceptul de roboți colaborativi.
Primii roboți colaborativi au fost în principal modificări și aplicații ale roboților industriali tradiționali, fără a le altera fundamental filosofia de design sau modurile de operare. De la înființarea sa în 2005, Universal Robots s-a dedicat dezvoltării de roboți colaborativi capabili să lucreze în siguranță alături de lucrătorii umani. În 2009, compania a lansat UR5 - primul robot colaborativ din lume - marcând începutul acestei ere. Ulterior, Rethink a introdus robotul Baxter cu braț dublu și noul robot Sawyer cu un singur braț, stabilind treptat robotica colaborativă ca o disciplină recunoscută și acceptată în cadrul roboticii industriale. Această progresie a oferit noi perspective și direcții pentru automatizarea industrială viitoare și dezvoltarea inteligentă.
Figura 5: Robot UR5 și robot Sawyer Baxter
Compania Siasun Robot, afiliată Institutului de Automatizare Shenyang al Academiei Chineze de Științe, a prezentat pentru prima dată la Expoziția Industrială din noiembrie 2015 un robot colaborativ flexibil cu șapte axe, reprezentând nivelul tehnologic avansat al Chinei. De atunci, numeroase modele autohtone de roboți colaborativi, precum Luoshi și Aobo, au câștigat treptat recunoaștere.
În ceea ce privește articulațiile robotice, principala distincție dintre articulațiile roboților colaborativi și cele ale roboților industriali tradiționali de mare tonaj constă în „flexibilitatea” lor. Această flexibilitate se manifestă printr-o rigiditate mecanică mai mică, o inerție redusă și capacitatea de a detecta cuplul. În prezent, flexibilitatea articulațiilor utilizate în brațele robotice colaborative provine în principal din controlul precis al poziției și controlul cuplului.
Figura 6 Structura tipică a articulației integrate în roboții colaborativi
O prezentare generală a cercetărilor actuale arată că dezvoltarea roboticii în China a început mai târziu decât cea a unor țări precum Statele Unite și Japonia. Cercetarea privind roboții colaborativi este încă semnificativ în urma produselor internaționale existente, principalele blocaje fiind reprezentate de reductoarele de armonice și sistemele de control al acționării motorului articulațiilor. Roboții colaborativi autohtoni au în prezent un loc substanțial de îmbunătățire în ceea ce privește capacitățile de control al articulațiilor, în special în ceea ce privește precizia controlului și controlul inteligent. În plus, tendințele globale de cercetare în robotică indică faptul că siguranța, flexibilitatea și inteligența sunt caracteristici dominante ale progresului tehnologic. Articulațiile robotice evoluează către sisteme de control al acționării extrem de integrate și o inteligență sporită. Deși articulațiile robotice colaborative au trecut de la controlul centralizat tradițional la arhitecturi de control al acționării distribuite, acestea execută în prezent doar acțiuni acționate de motor, lipsindu-le capacități de percepție autonomă, luare inteligentă a deciziilor și execuție dibăcie - rezultând niveluri relativ scăzute de inteligență. Există în continuare un potențial semnificativ pentru creșterea cererii de sisteme robotice inteligente.
Data publicării: 22 mai 2026
