1.1 Дослідницька база
Зі стрімким розвитком науки і техніки,інтелектуальні можливостіпродовжують удосконалюватися, що робить розумне виробництво переважаючою тенденцією в промисловому розвитку. Наприклад, дані, опубліковані Міністерством інформаційної промисловості Китаю, показують, що вітчизняне розумне виробництво досягло вражаючого зростання на 11,6% у 2023 році, що свідчить про постійні зусилля країни та технологічні інновації в цій галузі. Крім того, кількість інновацій серед підприємств розумного виробництва значно зросла, охоплюючи такі сектори, як виробництво високоякісного обладнання, передові матеріали та екологічні технології, що відображає життєздатність галузі та глибокі трансформації. Ця тенденція не лише революціонізувала традиційні методи виробництва, але й прискорила промислову модернізацію, підвищивши як ефективність, так і якість. Все частіше автоматизовані виробничі лінії та промислові роботи замінюють людську працю.
З просуваннямера інтелектуального виробництваВисокоавтоматизовані та інтелектуальні технологічні особливості промислових роботів ідеально відповідають зростаючим вимогам виробничої галузі до високої точності, простоти експлуатації та гнучкості виробничих процесів. Це підвищило їхню важливість у виробництві, зробивши їх ключовою рушійною силою промислової трансформації та модернізації. Колаборативні роботи — промислові пристрої, здатні досягати як взаємодії між машинами, так і між людиною та роботом — стали ключовим напрямком досліджень робототехніки завдяки своїй автономній поведінці та можливостям співпраці, що ставить їх на домінуючу роль у майбутній промисловій робототехніці. У технології колаборативних роботів показники продуктивності серводвигунів, включаючи швидкість реакції крутного моменту, точність крутного моменту, точність позиціонування, споживання енергії та стабільність температури, безпосередньо визначають ефективність, стабільність та точність руху робота. Як силове ядро роботів, продуктивність сервосистем критично впливає на точність та надійність руху. Зокрема, шарнірні серводвигуни відіграють ключову роль у досягненні точності позиціонування. Відмінний шарнірний серводвигун забезпечує точне позиціонування та стабільний рух під час виконання складних завдань, тим самим підвищуючи експлуатаційну ефективність та мінімізуючи помилки.
«14-й п’ятирічний план розвитку робототехнічної промисловості» підкреслює важливість досліджень інтелектуальних інтегрованих роботизованих з’єднань, причому такі з’єднання особливо підходять для колаборативних роботів. Їхня високоінтегрована концепція конструкції включає основні виконавчі механізми, датчики та драйвери безпосередньо в сам з’єднання, перетворюючи кожне з’єднання на окремий блок керування. Завдяки оптимізації внутрішньої структури та компонування, розподілена архітектура керування значно зменшує кількість кабелів між різними рівнями системи, тим самим знижуючи витрати на обслуговування та підвищуючи загальну надійність. Модульна конструкція також сприяє легшій заміні та обслуговуванню з’єднань, що суттєво підвищує конкурентоспроможність колаборативних роботів на ринку.
TheКонцепція колаборативних роботівбула вперше представлена в 1996 році, а її філософія дизайну революціонізувала традиційну робототехніку, забезпечуючи скоординовані операції між роботами та людьми на виробничих лініях. Цей спільний підхід не тільки використовує ефективність та точність роботів, але й інтегрує людський інтелект та гнучкість, підвищуючи операційну ефективність та плавність. Порівняно зі звичайними промисловими роботами, спільні роботи демонструють відмінні характеристики, що робить їх значною підкатегорією в галузі робототехніки. Як їхні фізичні структури, так і системи керування зазнали суттєвих змін. Традиційні промислові роботи, такі як конфігурації роботизованої руки, зображені на рисунку 1, в основному використовуються для палетування, обробки матеріалів, зварювання та лазерного різання. Хоча ці роботи характеризуються високою жорсткістю, структурною стійкістю та високою вантажопідйомністю, вони також мають обмеження: відносно великий розмір та маса, значна інерція руху, громіздкі конструкції з низькою гнучкістю та нездатність виконувати високогнучкі складальні завдання. Крім того, їхній значний інерційний імпульс та високошвидкісні рухи створюють значні ризики для безпеки персоналу в межах їхнього робочого радіуса, що вимагає роботи в закритих приміщеннях.
Рисунок 1. Традиційні промислові роботизовані маніпулятори та колаборативні роботи
Колаборативні роботи дозволяють одночасну роботу з людьми в спільних просторах та полегшують взаємодію на близькій відстані в зонах співпраці. Порівняно з традиційними роботизованими манипуляторами, колаборативні роботи зазвичай несуть максимальне навантаження 20 кг на своєму кінцевому ефекторі, з робочим діапазоном, порівнянним з діапазоном досяжності людської руки. Їхня структура простіша, ніж у звичайних промислових роботизованих манипуляторів, що мають складні механізми передачі, водночас пропонуючи чутливий зворотний зв'язок по зусиллю, легку гнучкість та надійні можливості сприйняття. Ці функції дозволяють їм динамічно регулювати силу під час взаємодії з людьми, ефективно запобігаючи сильним пошкодженням. Отже, колаборативні роботи можуть безпечно співпрацювати з людьми для виконання завдань без необхідності традиційних захисних бар'єрів.
Колаборативні роботи беруть участь у операціях безпосереднього контакту з людиною; тому безпека є невід'ємною вимогою у співпраці людини та робота. Важливо суворо контролювати робочу потужність та обертовий момент, використовуючи технічні заходи, такі як керування струмом, керування крутним моментом, контактні датчики та виявлення зіткнень, щоб запобігти травмам персоналу. Інтелектуальні системи керування приводом роботів також потребують подальшої оптимізації для управління безпекою, що дозволяє адаптивне плавне керування за допомогою динамічних розрахунків та моделювання на основі спостерігачів.
У нещодавньому дослідженні Міжнародна федерація робототехніки (IFR) зазначила, що майбутній розвиток робототехніки демонструватиме переважно тенденції до простоти, зручності використання, гнучкості та безпечної співпраці. Промислові роботи поступово досягатимуть вищих рівнів автоматизації та інтелекту; їхня зручна конструкція знизить операційні бар'єри, що дозволить більшій кількості підприємств без зусиль використовувати технології робототехніки для підвищення ефективності виробництва. Тим часом, конструкції з гнучкістю та можливостями безпечної співпраці дозволять роботам краще адаптуватися до різноманітних та складних виробничих середовищ, сприяючи співпраці людини та робота та подальшому просуванню інтелектуального та ефективного розвитку промислового виробництва.
Рисунок 2: Робоча зона колаборативного робота
1.2 Значення дослідження
На сучасному ринку колаборативної робототехніки роботи з сімома ступенями свободи є популярними завдяки їхньому широкому робочому діапазону та гнучкості. Ці роботи забезпечують надлишкові ступені свободи, що пропонує більший потенціал для промислової автоматизації та інтелектуального виробництва. Кожен ступінь свободи досягається за допомогою робототехнічного з'єднання, яке служить критичним фактором у визначенні продуктивності роботів. Чотири основні виробники — FANUC, ABB, Yaskawa та KUKA — використовують різні системи передачі у своїх традиційних промислових роботизованих маніпуляторах; однак вони по суті використовують серводвигуни в парі з конічними шестернями, прямозубими шестернями або синхронними ременями для передачі потужності до з'єднань для обертання. Ці методи передачі обмежують розмір робототехнічних з'єднань. Хоча досягнення високої точності можливе, мініатюризація залишається складною. Як показано на рисунку 3, традиційні промислові роботи потребують зовнішніх шаф керування, в яких розміщені сервоприводи двигунів, з численними проводами, що з'єднують кожен двигун з шафою, що обмежує гнучке розгортання систем керування.
Рисунок 3. Традиційний промисловий робот та шафа керування
З огляду на те, що традиційні конфігурації з'єднань промислових роботизованих рук більше не можуть відповідати вимогам колаборативних роботів, ці з'єднання відмовилися від традиційних механізмів передачі на користь нової філософії проектування. Цей підхід зосереджений на досягненні легких, низьковольтних та високоінтегрованих систем шляхом інтеграції контролера, сервоприводу та двигуна в само з'єднання, а також реалізації основних електричних з'єднань всередині. Зовні відкрито лише мінімальну кількість інтерфейсів керування, що спрощує зовнішню проводку та зменшує складність інженерії. Така конструкція називається інтегрованим з'єднанням.
З огляду на сучасні потреби розвитку та тенденції в колаборативних робототехнічних з'єднаннях, проектування легкого, низьковольтного, високоінтегрованого та високопродуктивного інтегрованого колаборативного робототехнічного з'єднання є особливо важливим. Таке інтегроване з'єднання включає всі основні компоненти, необхідні для руху з'єднання, включаючи виконавчі механізми, контролери, драйвери та датчики, і може функціонувати незалежно як окремий модуль. При підключенні до головного контролера або інших модулів через прості шини живлення та керування, ця високозгуртована, але низькоз'єднувальна конструкція значно підвищує масштабованість колаборативних роботів. Використовуючи це інтегроване модульне з'єднання та поєднуючи його з роботизованими манипуляторами та кінцевими ефекторами відповідного розміру, можна легко зібрати колаборативних роботів, адаптованих до різних вимог.
Рисунок 4. Принципова схема модульного з'єднання
Дослідження інтегрованих з'єднань для колаборативних роботів та їх систем сервокерування мають важливе значення для розвитку колаборативної робототехніки. Основні технології цих інтегрованих з'єднань складаються з двох ключових компонентів: гармонійних редукторів та систем керування приводом та керуванням двигуном спільного типу разом з відповідними алгоритмами керування. Компанія Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. зосереджує свої дослідження на системах керування приводом та керуванням двигуном спільного типу для колаборативних роботів, проводячи поглиблені дослідження механізмів приводу та керування двигуном спільного типу. Компанія розробляє серію високоінтелектуальних інтегрованих продуктів для роботизованих з'єднань, які забезпечують більш гнучкі та надійні можливості керування з'єднаннями роботів спільного типу, одночасно включаючи такі критичні функції, як самосприйняття, інтелектуальне прийняття рішень, спритне виконання та точне керування, тим самим задовольняючи вимоги розробки інтелектуального обладнання.
2 Поточний стан досліджень у країні та за кордоном
У 1956 році американський фізик Джо Енгельбергер та винахідник Джордж Девол заснували робототехнічну компанію під назвою Unimation, яка в 1959 році успішно розробила першого у світі промислового робота — Unimate.
Компанія General Motors вперше застосувала роботів у промисловому виробництві на своєму заводі в Нью-Джерсі в 1961 році. У 1969 році Японія представила роботів від Unimation, пізніше ліцензуючи свою технологію Kawasaki Heavy Industries та британській KUKAI Corporation для виробництва роботів у Японії та Великій Британії відповідно. З розвитком автомобільної промисловості Японії все більша кількість роботів замінює людську працю у виробництві, що повністю продемонструвало їхню практичну цінність. Як наслідок, Японія приділяє дедалі більшу увагу розвитку промислової робототехніки. Починаючи з Kawasaki Heavy Industries як піонера у впровадженні робототехнічних технологій, а потім з появою всесвітньо відомих робототехнічних компаній, таких як FANUC та Yaskawa, Японія стала однією з країн, що опанували передові робототехнічні технології в усьому світі.
У 1973 році німецька компанія KUKA модифікувала робота Unimate, щоб створити першого робота з шістьма ступенями свободи, Famulus, який працює на електродвигуні. У 1974 році ASEA (попередник ABB), шведська компанія загальної електротехніки, розробила першого у світі повністю електричного робота IRB 6, керованого мікропроцесором, що значно покращило робототехнічний інтелект. У 1978 році американська компанія Unimation широко розгорнула свого промислового робота PUMA на складальних лініях General Motors, що ще раз продемонструвало практичність і цінність промислових роботів і відзначило повну зрілість технології промислової робототехніки, тим самим закладаючи міцну основу для подальших технологічних досягнень.
Протягом понад чотирьох десятиліть розвитку промислової робототехніки технологічний прогрес був безперервним. Однак, з міркувань безпеки, роботи зазвичай закріплюються на певних робочих станціях та ізолюються захисними огородженнями, що перешкоджає їм працювати пліч-о-пліч з людьми в одному просторі. Така традиційна конфігурація обмежує співпрацю людини та робота, ускладнюючи досягнення справді ефективних спільних операцій. Незважаючи на численні спроби та дослідження, досягнення безпечної співпраці людини та робота залишається серйозною проблемою в галузі промислової робототехніки.
Лише у 2005 році великий проект, що фінансується ЄС, представив концепцію колаборативних роботів. Ця ініціатива об'єднала провідні компанії з промислової робототехніки, такі як ABB, KUKA, Reis, Comau та Gudel, для спільної розробки доступного, компактного та гнучкого робота, спеціально розробленого для малих та середніх підприємств, з метою зменшення залежності від аутсорсингу робочої сили. Цей проект чітко підкреслив потенціал співпраці людини та робота, заклавши міцну основу для концепції колаборативних роботів.
Ранні колаборативні роботи були переважно модифікаціями та застосуваннями традиційних промислових роботів, без фундаментальної зміни їхньої філософії проектування чи режимів роботи. З моменту свого заснування у 2005 році компанія Universal Robots присвятила себе розробці колаборативних роботів, здатних безпечно працювати разом з людьми. У 2009 році компанія випустила UR5 — першого у світі колаборативного робота — що ознаменувало початок цієї ери. Згодом Rethink представила дворукого Baxter та нового однорукого Sawyer, поступово утверджуючи колаборативну робототехніку як визнану та прийняту дисципліну в промисловій робототехніці. Цей прогрес забезпечив нові уявлення та напрямки для майбутньої промислової автоматизації та інтелектуального розвитку.
Рисунок 5: Робот UR5 та робот Sawyer Baxter
Компанія Siasun Robot, що співпрацює з Шеньянським інститутом автоматизації Китайської академії наук, вперше продемонструвала семиосьового гнучкого колаборативного робота, що представляє передовий технологічний рівень Китаю, на промисловій виставці в листопаді 2015 року. Відтоді численні вітчизняні моделі колаборативних роботів, такі як Luoshi та Aobo, поступово здобули визнання.
Щодо роботизованих з'єднань, основна відмінність між з'єднаннями колаборативних роботів та з'єднаннями традиційних промислових роботів великої вантажопідйомності полягає в їхній «гнучкісті». Ця гнучкість проявляється через меншу механічну жорсткість, зменшену інерцію та здатність відчувати крутний момент. Наразі гнучкість з'єднань, що використовується в колаборативних роботизованих маніпуляторах, в основному пов'язана з точним контролем положення та крутного моменту.
Рисунок 6. Типова структура інтегрованого суглоба в колаборативних роботах
Огляд сучасних досліджень показує, що розвиток робототехніки в Китаї розпочався пізніше, ніж у таких країнах, як Сполучені Штати та Японія. Дослідження колаборативних роботів все ще значно відстають від існуючих міжнародних продуктів, а ключові вузькі місця полягають у редукторах гармонік та системах керування спільними приводами двигунів. Вітчизняні колаборативні роботи наразі мають значний потенціал для вдосконалення можливостей спільного керування, особливо з точки зору точності керування та інтелектуального керування. Крім того, світові тенденції досліджень робототехніки вказують на те, що безпека, гнучкість та інтелект є домінуючими характеристиками технологічного прогресу. З'єднання роботів розвиваються в напрямку високоінтегрованих систем керування приводом та більшого інтелекту. Хоча з'єднання колаборативних роботів перейшли від традиційного централізованого керування до розподілених архітектур керування приводом, наразі вони виконують лише дії, керовані двигуном, не маючи можливостей автономного сприйняття, інтелектуального прийняття рішень та спритного виконання, що призводить до відносно низького рівня інтелекту. Залишається значний потенціал для розширення попиту на інтелектуальні роботизовані системи.
Час публікації: 22 травня 2026 р.
