1.1 Istraživačka pozadina
S brzim napretkom nauke i tehnologije,inteligentne mogućnostinastavljaju se poboljšavati, čineći pametnu proizvodnju prevladavajućim trendom u industrijskom razvoju. Na primjer, podaci koje je objavilo kinesko Ministarstvo informacijske industrije pokazuju da je domaća pametna proizvodnja postigla izuzetan rast od 11,6% u 2023. godini, što svjedoči o kontinuiranim naporima nacije i tehnološkim inovacijama u ovoj oblasti. Nadalje, broj inovacija među preduzećima pametne proizvodnje značajno je porastao, obuhvatajući sektore kao što su proizvodnja vrhunske opreme, napredni materijali i ekološke tehnologije, što odražava vitalnost industrije i duboku transformaciju. Ovaj trend ne samo da je revolucionirao tradicionalne metode proizvodnje, već je i ubrzao industrijsku nadogradnju, povećavajući i efikasnost i kvalitet. Automatizovane proizvodne linije i industrijski roboti sve više zamjenjuju ljudski rad.
S napretkomera inteligentne proizvodnjeVisoko automatizovane i inteligentne tehnološke karakteristike industrijskih robota savršeno se uklapaju u rastuće zahtjeve proizvodne industrije za visokom preciznošću, jednostavnošću rada i fleksibilnošću u proizvodnim procesima. To je povećalo njihov značaj u proizvodnji, čineći ih ključnom silom koja pokreće industrijsku transformaciju i unapređenje. Kolaborativni roboti - industrijski uređaji sposobni za postizanje saradnje i mašina-mašina i čovjek-robot - pojavili su se kao ključni fokus u istraživanju robotike zbog svog autonomnog ponašanja i kolaborativnih sposobnosti, pozicionirajući ih da igraju dominantnu ulogu u budućoj industrijskoj robotici. U tehnologiji kolaborativnih robota, metrike performansi servo motora - uključujući brzinu odziva obrtnog momenta, tačnost obrtnog momenta, preciznost pozicioniranja, potrošnju energije i temperaturnu stabilnost - direktno određuju efikasnost, stabilnost i tačnost kretanja robota. Kao jezgro snage robota, performanse servo sistema kritično utiču na preciznost i pouzdanost kretanja. Posebno je važno napomenuti da zglobni servo motori igraju ključnu ulogu u postizanju tačnosti pozicioniranja. Odličan zglobni servo motor osigurava precizno pozicioniranje i stabilno kretanje tokom složenih zadataka, čime se povećava operativna efikasnost i minimiziraju greške.
„14. petogodišnji plan za razvoj robotske industrije“ naglašava unapređenje istraživanja inteligentnih integriranih robotskih zglobova, pri čemu su takvi zglobovi posebno pogodni za kolaborativne robote. Njihov visoko integrirani koncept dizajna uključuje temeljne aktuatore, senzore i upravljačke programe direktno u sam zglob, pretvarajući svaki zglob u samostalnu upravljačku jedinicu. Optimizacijom unutrašnje strukture i rasporeda, distribuirana upravljačka arhitektura značajno smanjuje broj kablova između različitih nivoa sistema, čime se smanjuju troškovi održavanja i povećava ukupna pouzdanost. Modularni dizajn također olakšava zamjenu i održavanje zglobova, značajno povećavajući konkurentnost kolaborativnih robota na tržištu.
Thekoncept kolaborativnih robotaje prvi put predstavljen 1996. godine, a njegova filozofija dizajna revolucionira tradicionalnu robotiku omogućavajući koordinirane operacije između robota i ljudi na proizvodnim linijama. Ovaj kolaborativni pristup ne samo da iskorištava efikasnost i preciznost robota, već i integrira ljudsku inteligenciju i fleksibilnost, poboljšavajući operativnu efikasnost i fluidnost. U poređenju s konvencionalnim industrijskim robotima, kolaborativni roboti pokazuju različite karakteristike, pozicionirajući se kao značajna podkategorija unutar oblasti robotike. I njihove fizičke strukture i kontrolni sistemi su pretrpjeli značajne modifikacije. Tradicionalni industrijski roboti - poput konfiguracija robotske ruke prikazanih na Slici 1 - prvenstveno se koriste u paletizaciji, rukovanju materijalima, zavarivanju i laserskom rezanju. Iako ovi roboti imaju visoku krutost, strukturnu stabilnost i veliku nosivost, oni također imaju ograničenja: relativno veliku veličinu i masu, značajnu inerciju kretanja, glomazne dizajne sa slabom fleksibilnošću i nemogućnost obavljanja vrlo agilnih zadataka montaže. Osim toga, njihov značajan inercijalni moment i pokreti velike brzine predstavljaju značajne sigurnosne rizike za osoblje unutar njihovog operativnog radijusa, što zahtijeva rad unutar zatvorenih prostora.
Slika 1 Tradicionalne industrijske robotske ruke i kolaborativni roboti
Kolaborativni roboti omogućavaju istovremeni rad s ljudima u zajedničkim prostorima i olakšavaju interakciju na maloj udaljenosti unutar kolaborativnih zona. U poređenju s tradicionalnim robotskim rukama, kolaborativni roboti obično nose maksimalno opterećenje od 20 kg na svom krajnjem efektoru, s operativnim dometom usporedivim s dometom ljudske ruke. Njihova struktura je jednostavnija od strukture konvencionalnih industrijskih robotskih ruku, a sadrži složene mehanizme prijenosa, a istovremeno nude osjetljivu povratnu informaciju o sili, laganu fleksibilnost i robusne mogućnosti percepcije. Ove karakteristike im omogućavaju dinamičko podešavanje sile tokom ljudskih interakcija, efikasno sprječavajući nasilna oštećenja. Posljedično, kolaborativni roboti mogu sigurno surađivati s ljudima kako bi izvršili zadatke bez potrebe za tradicionalnim sigurnosnim barijerama.
Kolaborativni roboti učestvuju u operacijama direktnog kontakta s ljudima; stoga je sigurnost nezamjenjiv zahtjev u saradnji čovjeka i robota. Bitno je strogo kontrolisati operativnu snagu i rotacijski moment, uz korištenje tehničkih mjera kao što su kontrola struje, kontrola momenta, kontaktni senzori i detekcija sudara kako bi se spriječile povrede osoblja. Inteligentni sistemi upravljanja pogonom robota također zahtijevaju daljnju optimizaciju za upravljanje sigurnošću, omogućavajući adaptivno glatko upravljanje putem dinamičkih proračuna i modeliranja zasnovanog na posmatraču.
U nedavnoj studiji, Međunarodna federacija za robotiku (IFR) istakla je da će budući razvoj robota prvenstveno pokazivati trendove ka jednostavnosti, lakoći korištenja, fleksibilnosti i sigurnoj saradnji. Industrijski roboti će progresivno postizati više nivoe automatizacije i inteligencije; njihov dizajn prilagođen korisniku će smanjiti operativne barijere, omogućavajući većem broju preduzeća da bez napora iskoriste robotsku tehnologiju za povećanje efikasnosti proizvodnje. U međuvremenu, dizajni koji karakterišu fleksibilnost i sigurne mogućnosti saradnje omogućit će robotima da se bolje prilagode raznolikim i složenim proizvodnim okruženjima, olakšavajući saradnju između čovjeka i robota i dalje unapređujući inteligentan i efikasan razvoj industrijske proizvodnje.
Slika 2: Radno područje kolaborativnog robota
1.2 Značaj istraživanja
Na trenutnom tržištu kolaborativne robotike, roboti sa sedam stepeni slobode su favorizovani zbog svog širokog operativnog raspona i fleksibilnosti. Ovi roboti pružaju redundantne stepene slobode, nudeći veći potencijal za industrijsku automatizaciju i pametnu proizvodnju. Svaki stepen slobode postiže se putem robotskog zgloba, koji služi kao ključni faktor u određivanju performansi robota. Četiri glavna proizvođača - FANUC, ABB, Yaskawa i KUKA - koriste različite sisteme prenosa u svojim tradicionalnim industrijskim robotskim rukama; međutim, oni u suštini koriste servo motore uparene sa konusnim zupčanicima, cilindričnim zupčanicima ili sinhronim remenima za prenos snage na zglobove radi rotacije. Ove metode prenosa ograničavaju veličinu robotskih zglobova. Iako je postizanje visoke preciznosti moguće, miniaturizacija ostaje izazovna. Kao što je prikazano na slici 3, tradicionalni industrijski roboti zahtijevaju eksterne upravljačke ormare koji sadrže servo pogone motora, s brojnim žicama koje povezuju svaki motor sa ormarom, čime se ograničava fleksibilno postavljanje upravljačkih sistema.
Slika 3 Tradicionalni industrijski robot i upravljački ormar
S obzirom na to da tradicionalne konfiguracije zglobova industrijskih robotskih ruku više ne mogu zadovoljiti zahtjeve kolaborativnih robota, ovi zglobovi su napustili konvencionalne mehanizme prijenosa u korist nove filozofije dizajna. Ovaj pristup se fokusira na postizanje laganih, niskonaponskih i visoko integriranih sistema integriranjem kontrolera, servo pogona i motora unutar samog zgloba, s temeljnim električnim vezama koje su također implementirane interno. Samo minimalan broj kontrolnih interfejsa je izložen izvana, što pojednostavljuje vanjsko ožičenje i smanjuje složenost inženjeringa. Takav dizajn se naziva integrirani zglob.
S obzirom na trenutne potrebe i trendove razvoja kolaborativnih robotskih zglobova, dizajniranje laganog, niskonaponskog, visoko integriranog i visokoučinkovitog integriranog kolaborativnog robotskog zgloba je posebno ključno. Takav integrirani zglob uključuje sve bitne komponente potrebne za kretanje zgloba - uključujući aktuatore, kontrolere, upravljačke programe i senzore - i može funkcionirati samostalno kao samostalni modul. Kada je povezan s glavnim kontrolerom ili drugim modulima putem jednostavnih sabirnica za napajanje i upravljanje, ovaj visoko kohezivan, ali nisko-spojni dizajn značajno poboljšava skalabilnost kolaborativnih robota. Korištenjem ovog integriranog modularnog zgloba i njegovim uparivanjem s robotskim rukama i krajnjim efektorima odgovarajuće veličine, kolaborativni roboti prilagođeni različitim zahtjevima mogu se lako sastaviti.
Slika 4 Shematski dijagram modularnog spoja
Istraživanje integriranih zglobova za kolaborativne robote i njihovih servo upravljačkih sistema ima značajan značaj za napredak kolaborativne robotike. Osnovne tehnologije ovih integriranih zglobova sastoje se od dvije ključne komponente: harmonijskih reduktora i sistema za upravljanje pogonom i upravljanjem zglobnim motorima, zajedno s njihovim odgovarajućim algoritmima upravljanja. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. fokusira svoja istraživanja na sisteme za upravljanje pogonom i upravljanje zglobnim motorima za kolaborativne robote, provodeći dubinske studije o mehanizmima pogona i upravljanja zglobnim motorima. Kompanija razvija niz visoko inteligentnih integriranih proizvoda za zglobne motore robota koji omogućavaju fleksibilnije i pouzdanije mogućnosti upravljanja za zglobove kolaborativnih robota, a istovremeno uključuju kritične karakteristike kao što su samopercepcija, inteligentno donošenje odluka, spretno izvršenje i precizna kontrola - čime se zadovoljavaju zahtjevi razvoja pametne opreme.
2 Trenutno stanje istraživanja u zemlji i inostranstvu
Godine 1956, američki fizičar Joe Engelberger i izumitelj George Devol osnovali su kompaniju za robotiku pod nazivom Unimation, koja je 1959. godine uspješno razvila prvog industrijskog robota na svijetu - Unimate.
General Motors je prvi put koristio robote u industrijskoj proizvodnji u svom pogonu u New Jerseyju 1961. godine. Japan je 1969. godine uveo robote kompanije Unimation, a kasnije je licencirao njihovu tehnologiju kompanijama Kawasaki Heavy Industries i KUKAI Corporation sa sjedištem u Velikoj Britaniji za proizvodnju robota u Japanu, odnosno Velikoj Britaniji. S napretkom japanske automobilske industrije, sve veći broj robota zamijenio je ljudski rad u proizvodnji, što je u potpunosti demonstriralo njihovu praktičnu vrijednost. Shodno tome, Japan je sve više naglašavao razvoj industrijske robotike. Počevši s Kawasaki Heavy Industries kao pionirom u usvajanju robotske tehnologije, a zatim pojavom svjetski poznatih kompanija za robotiku kao što su FANUC i Yaskawa, Japan je postao jedna od nacija koje globalno savladavaju najsavremenije robotske tehnologije.
Godine 1973., njemačka kompanija KUKA modificirala je robota Unimate kako bi stvorila prvog robota sa šest stepeni slobode, Famulus, pokretanog električnim motorom. Godine 1974., ASEA (prethodnik ABB-a), švedska opća elektrotehnička kompanija, razvila je prvog potpuno električnog robota na svijetu, IRB 6, kojim upravlja mikroprocesor, značajno poboljšavajući robotsku inteligenciju. Godine 1978., američka kompanija Unimation široko je rasporedila svog industrijskog robota PUMA na montažnim trakama General Motorsa, dodatno demonstrirajući praktičnost i vrijednost industrijskih robota i označavajući punu zrelost tehnologije industrijske robotike, čime je postavljen čvrst temelj za kasniji tehnološki napredak.
Tokom više od četiri decenije razvoja industrijske robotike, tehnološki napredak je bio kontinuiran. Međutim, zbog sigurnosnih razloga, roboti su obično fiksirani na određenim radnim stanicama i izolovani zaštitnim ogradama, što im onemogućava da rade rame uz rame s ljudima u istom prostoru. Ova tradicionalna konfiguracija ograničava saradnju čovjeka i robota, otežavajući postizanje zaista efikasnih kooperativnih operacija. Uprkos brojnim pokušajima i istraživanjima, postizanje sigurne saradnje čovjeka i robota ostaje glavni izazov u oblasti industrijske robotike.
Tek 2005. godine veliki projekat finansiran od strane EU uveo je koncept kolaborativnih robota. Inicijativa je okupila vodeće kompanije za industrijsku robotiku kao što su ABB, KUKA, Reis, Comau i Gudel kako bi zajednički razvile pristupačan, kompaktan i fleksibilan robot posebno dizajniran za mala i srednja preduzeća, s ciljem smanjenja oslanjanja na outsourcing radne snage. Ovaj projekat je eksplicitno istakao potencijal saradnje između čovjeka i robota, postavljajući čvrste temelje za koncept kolaborativnih robota.
Rani kolaborativni roboti bili su prvenstveno modifikacije i primjene tradicionalnih industrijskih robota, bez fundamentalne promjene njihove filozofije dizajna ili načina rada. Od svog osnivanja 2005. godine, Universal Robots je posvećen razvoju kolaborativnih robota sposobnih za siguran rad zajedno s ljudskim radnicima. 2009. godine kompanija je lansirala UR5 - prvog kolaborativnog robota na svijetu - označavajući početak ove ere. Nakon toga, Rethink je predstavio dvokrakog Baxtera i novog jednokrakog Sawyera, postepeno uspostavljajući kolaborativnu robotiku kao priznatu i prihvaćenu disciplinu unutar industrijske robotike. Ovaj napredak pružio je nove uvide i smjernice za buduću industrijsku automatizaciju i inteligentni razvoj.
Slika 5: Robot UR5 i robot Sawyer Baxter
Kompanija Siasun Robot, povezana sa Shenyang Institutom za automatizaciju Kineske akademije nauka, prvi put je predstavila fleksibilnog kolaborativnog robota sa sedam osa koji predstavlja napredni tehnološki nivo Kine na Industrijskom sajmu u novembru 2015. godine. Od tada su brojni domaći modeli kolaborativnih robota, kao što su Luoshi i Aobo, postepeno stekli priznanje.
Što se tiče robotskih zglobova, primarna razlika između kolaborativnih robotskih zglobova i zglobova tradicionalnih teških industrijskih robota leži u njihovoj "fleksibilnosti". Ova fleksibilnost se manifestuje kroz manju mehaničku krutost, smanjenu inerciju i sposobnost osjećanja obrtnog momenta. Trenutno, fleksibilnost zglobova koja se koristi u kolaborativnim robotskim rukama prvenstveno proizilazi iz precizne kontrole položaja i kontrole obrtnog momenta.
Slika 6 Tipična struktura integriranog zgloba u kolaborativnim robotima
Pregled trenutnih istraživanja otkriva da je razvoj robotike u Kini započeo kasnije nego u zemljama poput Sjedinjenih Američkih Država i Japana. Istraživanje kolaborativnih robota i dalje značajno zaostaje za postojećim međunarodnim proizvodima, a ključna uska grla leže u harmonijskim reduktorima i sistemima upravljanja zglobnim motorima. Domaći kolaborativni roboti trenutno imaju značajan prostor za poboljšanje sposobnosti upravljanja zglobovima, posebno u smislu preciznosti upravljanja i inteligentnog upravljanja. Nadalje, globalni trendovi istraživanja robotike ukazuju na to da su sigurnost, fleksibilnost i inteligencija dominantne karakteristike tehnološkog napretka. Robotski zglobovi se razvijaju prema visoko integriranim sistemima upravljanja pogonom i većoj inteligenciji. Iako su kolaborativni robotski zglobovi prešli s tradicionalne centralizirane kontrole na distribuirane arhitekture upravljanja pogonom, oni trenutno izvršavaju samo motorno vođene radnje, nedostaju im mogućnosti autonomne percepcije, inteligentnog donošenja odluka i spretnog izvršenja - što rezultira relativno niskim nivoima inteligencije. I dalje postoji značajan potencijal za širenje potražnje za inteligentnim robotskim sistemima.
Vrijeme objave: 22. maj 2026.
