1.1 Позадина истраживања
Са брзим напретком науке и технологије,интелигентне могућностинастављају да се побољшавају, чинећи паметну производњу преовлађујућим трендом у индустријском развоју. На пример, подаци које је објавило кинеско Министарство информационе индустрије показују да је домаћа паметна производња постигла изузетан раст од 11,6% у 2023. години – што је доказ континуираних напора нације и технолошких иновација у овој области. Штавише, број иновација међу предузећима паметне производње значајно је порастао, обухватајући секторе као што су производња врхунске опреме, напредни материјали и еколошке технологије, што одражава виталност индустрије и дубоку трансформацију. Овај тренд није само револуционисао традиционалне методе производње, већ је и убрзао индустријску надоградњу, побољшавајући и ефикасност и квалитет. Аутоматизоване производне линије и индустријски роботи све више замењују људски рад.
Са напреткомера интелигентне производње, високо аутоматизоване и интелигентне технолошке карактеристике индустријских робота савршено се поклапају са растућим захтевима производне индустрије за високом прецизношћу, лакоћом рада и флексибилношћу у производним процесима. Ово је повећало њихов значај у производњи, чинећи их кључном силом која покреће индустријску трансформацију и надоградњу. Колаборативни роботи - индустријски уређаји способни да постигну сарадњу и између машина и машина и између човека и робота - појавили су се као кључни фокус у истраживању роботике због свог аутономног понашања и колаборативних могућности, позиционирајући их да играју доминантну улогу у будућој индустријској роботици. У технологији колаборативних робота, метрике перформанси серво мотора - укључујући брзину одзива обртног момента, тачност обртног момента, прецизност позиционирања, потрошњу енергије и стабилност температуре - директно одређују ефикасност, стабилност и тачност кретања робота. Као језгро снаге робота, перформансе серво система критично утичу на прецизност и поузданост кретања. Приметно је да зглобни серво мотори играју кључну улогу у постизању тачности позиционирања. Одличан зглобни серво мотор обезбеђује прецизно позиционирање и стабилно кретање током сложених задатака, чиме се побољшава оперативна ефикасност и минимизирају грешке.
„14. петогодишњи план за развој роботске индустрије“ наглашава унапређење истраживања интелигентних интегрисаних роботских зглобова, при чему су такви зглобови посебно погодни за колаборативне роботе. Њихов високо интегрисани концепт дизајна укључује основне актуаторе, сензоре и драјвере директно у сам зглоб, претварајући сваки зглоб у самосталну контролну јединицу. Оптимизацијом унутрашње структуре и распореда, дистрибуирана архитектура управљања значајно смањује број каблова између различитих нивоа система, чиме се смањују трошкови одржавања и побољшава укупна поузданост. Модуларни дизајн такође олакшава замену и одржавање зглобова, значајно повећавајући конкурентност колаборативних робота на тржишту.
Theконцепт колаборативних роботаје први пут представљен 1996. године, са својом филозофијом дизајна која је револуционисала традиционалну роботику омогућавајући координисане операције између робота и људи на производним линијама. Овај колаборативни приступ не само да користи ефикасност и прецизност робота, већ интегрише и људску интелигенцију и флексибилност, побољшавајући оперативну ефикасност и флуидност. У поређењу са конвенционалним индустријским роботима, колаборативни роботи показују посебне карактеристике, успостављајући се као значајна подкатегорија у области роботике. И њихове физичке структуре и системи управљања су претрпели значајне модификације. Традиционални индустријски роботи - као што су конфигурације роботске руке приказане на слици 1 - првенствено се користе у палетизовању, руковању материјалом, заваривању и ласерском сечењу. Иако ови роботи имају високу крутост, структурну стабилност и велику носивост, они такође имају ограничења: релативно велику величину и масу, значајну инерцију кретања, гломазне дизајне са слабом флексибилношћу и немогућност обављања веома агилних задатака монтаже. Поред тога, њихов значајан инерцијални моментум и брзи покрети представљају значајне безбедносне ризике за особље унутар њиховог оперативног радијуса, што захтева рад у затвореним просторима.
Слика 1 Традиционалне индустријске роботске руке и колаборативни роботи
Колаборативни роботи омогућавају истовремени рад са људима у дељеним просторима и олакшавају интеракцију на блиском домету унутар колаборативних зона. У поређењу са традиционалним роботским рукама, колаборативни роботи обично носе максимално оптерећење од 20 кг на свом крајњем ефектору, са оперативним дометом упоредивим са дометом људске руке. Њихова структура је једноставнија од структуре конвенционалних индустријских роботских руку, са сложеним механизмима преноса, а истовремено нуде осетљиву повратну спрегу силе, лагану флексибилност и робусне могућности перцепције. Ове карактеристике им омогућавају да динамички подешавају силу током људских интеракција, ефикасно спречавајући насилна оштећења. Сходно томе, колаборативни роботи могу безбедно сарађивати са људима како би завршили задатке без потребе за традиционалним сигурносним баријерама.
Колаборативни роботи учествују у директним операцијама контакта човека и робота; стога је безбедност неопходан захтев у сарадњи човека и робота. Неопходно је строго контролисати оперативну снагу и обртни момент, уз коришћење техничких мера као што су контрола струје, контрола обртног момента, контактни сензори и детекција судара како би се спречиле повреде особља. Интелигентни системи управљања погоном робота такође захтевају даљу оптимизацију за управљање безбедношћу, омогућавајући адаптивно глатко управљање путем динамичких прорачуна и моделирања заснованог на посматрачу.
У недавној студији, Међународна федерација за роботику (IFR) је истакла да ће будући развој робота првенствено показивати трендове ка једноставности, лакоћи коришћења, флексибилности и безбедној сарадњи. Индустријски роботи ће прогресивно постизати више нивое аутоматизације и интелигенције; њихов дизајн прилагођен корисницима смањиће оперативне баријере, омогућавајући већем броју предузећа да без напора искористе роботску технологију за побољшање ефикасности производње. У међувремену, дизајни који карактеришу флексибилност и могућности безбедне сарадње омогућиће роботима да се боље прилагоде разноврсним и сложеним производним окружењима, олакшавајући сарадњу између људи и робота и даље унапређујући интелигентан и ефикасан развој индустријске производње.
Слика 2: Радно подручје колаборативног робота
1.2 Значај истраживања
На тренутном тржишту колаборативних роботика, роботи са седам степени слободе су фаворизовани због свог широког оперативног опсега и флексибилности. Ови роботи пружају редундантне степене слободе, нудећи већи потенцијал за индустријску аутоматизацију и паметну производњу. Сваки степен слободе се постиже кроз роботски зглоб, који служи као кључни фактор у одређивању роботских перформанси. Четири главна произвођача - FANUC, ABB, Yaskawa и KUKA - користе различите системе преноса у својим традиционалним индустријским роботским рукама; међутим, они у суштини користе серво моторе упарене са конусним зупчаницима, цилиндричним зупчаницима или синхроним каишевима за пренос снаге на зглобове ради ротације. Ове методе преноса ограничавају величину роботских зглобова. Иако је постизање високе прецизности могуће, минијатуризација остаје изазовна. Као што је приказано на слици 3, традиционални индустријски роботи захтевају спољне контролне ормане који смештају серво погоне мотора, са бројним жицама које повезују сваки мотор са орманом, чиме се ограничава флексибилно распоређивање контролних система.
Слика 3 Традиционални индустријски робот и контролни ормар
С обзиром на то да традиционалне конфигурације зглобова индустријских роботских руку више не могу да задовоље захтеве колаборативних робота, ови зглобови су напустили конвенционалне механизме преноса у корист нове филозофије дизајна. Овај приступ се фокусира на постизање лаганих, нисконапонских и високо интегрисаних система интегрисањем контролера, серво драјвера и мотора унутар самог зглоба, са основним електричним везама које су такође имплементиране интерно. Само минималан број контролних интерфејса је изложен споља, што поједностављује спољашње ожичење и смањује сложеност инжењеринга. Такав дизајн се назива интегрисани зглоб.
С обзиром на тренутне потребе и трендове развоја колаборативних роботских зглобова, пројектовање лаганог, нисконапонског, високо интегрисаног и високоперформансног интегрисаног колаборативног роботског зглоба је посебно важно. Такав интегрисани зглоб укључује све битне компоненте потребне за кретање зглоба - укључујући актуаторе, контролере, драјвере и сензоре - и може функционисати независно као самостални модул. Када је повезан са главним контролером или другим модулима путем једноставних магистрала напајања и управљања, овај високо кохезиван, али ниско спрегнут дизајн значајно побољшава скалабилност колаборативних робота. Коришћењем овог интегрисаног модуларног зглоба и његовим упаривањем са роботским рукама и крајњим ефекторима одговарајуће величине, колаборативни роботи прилагођени различитим захтевима могу се лако саставити.
Слика 4 Шематски дијаграм модуларног споја
Истраживање интегрисаних зглобова за колаборативне роботе и њихових серво управљачких система је од значајног значаја за напредак колаборативне роботике. Основне технологије ових интегрисаних зглобова састоје се од две кључне компоненте: хармонијских редуктора и система за управљање погоном и управљањем мотором зглобова, заједно са њиховим одговарајућим алгоритмима управљања. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. фокусира своја истраживања на системе за управљање погоном и управљањем мотором зглобова за колаборативне роботе, спроводећи детаљне студије о механизмима за погон и управљање мотором зглобова. Компанија развија серију високо интелигентних интегрисаних роботских зглобних моторних производа који омогућавају флексибилније и поузданије могућности управљања за колаборативне роботске зглобове, уз укључивање критичних карактеристика као што су самоперцепција, интелигентно доношење одлука, спретно извршење и прецизна контрола — чиме се испуњавају захтеви развоја паметне опреме.
2 Тренутни статус истраживања у земљи и иностранству
Године 1956, амерички физичар Џо Енгелбергер и проналазач Џорџ Девол основали су компанију за роботику под називом Unimation, која је успешно развила првог индустријског робота на свету - Unimate - 1959. године.
Компанија Џенерал моторс је први пут применила роботе у индустријској производњи у свом погону у Њу Џерзију 1961. године. Јапан је 1969. године представио роботе компаније Unimation, касније лиценцирајући њихову технологију компанији Kawasaki Heavy Industries и британској корпорацији KUKAI за производњу робота у Јапану и Великој Британији. Са напретком јапанске аутомобилске индустрије, све већи број робота је заменио људски рад у производњи, што је у потпуности демонстрирало њихову практичну вредност. Сходно томе, Јапан је ставио све већи нагласак на развој индустријске роботике. Почевши од Kawasaki Heavy Industries као пионира у усвајању роботске технологије, а затим појавом светски познатих компанија за роботику као што су FANUC и Yaskawa, Јапан је постао једна од нација које савладавају најсавременије роботске технологије на глобалном нивоу.
Године 1973, немачка компанија KUKA је модификовала робота Unimate како би створила првог робота са шест степени слободе, Famulus, покретаног електромотором. Године 1974, ASEA (претходник ABB-а), шведска компанија за општу електротехнику, развила је првог потпуно електричног робота на свету, IRB 6, којим управља микропроцесор, значајно побољшавајући роботску интелигенцију. Године 1978, америчка компанија Unimation је широко распоредила свог индустријског робота PUMA на монтажним линијама Џенерал моторса, додатно демонстрирајући практичност и вредност индустријских робота и обележавајући пуну зрелост технологије индустријске роботике, чиме је постављен чврст темељ за каснији технолошки напредак.
Током више од четири деценије развоја индустријске роботике, технолошки напредак је континуиран. Међутим, због безбедносних разлога, роботи су обично фиксирани на одређеним радним станицама и изоловани заштитним оградама, што их спречава да раде раме уз раме са људима у истом простору. Ова традиционална конфигурација ограничава сарадњу човека и робота, што отежава постизање истински ефикасних кооперативних операција. Упркос бројним покушајима и истраживањима, постизање безбедне сарадње човека и робота остаје главни изазов у области индустријске роботике.
Тек 2005. године велики пројекат који је финансирала ЕУ увео је концепт колаборативних робота. Иницијатива је окупила водеће компаније за индустријску роботику као што су ABB, KUKA, Reis, Comau и Gudel како би заједнички развиле приступачан, компактан и флексибилан робот посебно дизајниран за мала и средња предузећа, са циљем смањења ослањања на аутсорсинг радне снаге. Овај пројекат је експлицитно истакао потенцијал сарадње између човека и робота, постављајући чврсте темеље за концепт колаборативних робота.
Рани колаборативни роботи били су првенствено модификације и примене традиционалних индустријских робота, без фундаменталне промене њихове филозофије дизајна или начина рада. Од свог оснивања 2005. године, компанија Universal Robots је посвећена развоју колаборативних робота способних да безбедно раде заједно са људским радницима. Године 2009, компанија је лансирала UR5 - првог колаборативног робота на свету - обележавајући почетак ове ере. Након тога, Rethink је представио двокраког Baxter-а и новог једнокраког Sawyer робота, постепено успостављајући колаборативну роботику као признату и прихваћену дисциплину у оквиру индустријске роботике. Овај напредак је пружио нове увиде и правце за будућу индустријску аутоматизацију и интелигентни развој.
Слика 5: Робот UR5 и робот Sawyer Baxter
Компанија Siasun Robot, повезана са Институтом за аутоматизацију Шенјанг Кинеске академије наука, први пут је представила седмоосног флексибилног колаборативног робота који представља напредни технолошки ниво Кине на Индустријској изложби у новембру 2015. године. Од тада, бројни домаћи модели колаборативних робота, као што су Luoshi и Aobo, постепено су стекли признање.
Што се тиче роботских зглобова, главна разлика између колаборативних роботских зглобова и зглобова традиционалних индустријских робота велике снаге лежи у њиховој „флексибилности“. Ова флексибилност се манифестује кроз мању механичку крутост, смањену инерцију и способност детекције обртног момента. Тренутно, флексибилност зглобова која се користи у колаборативним роботским рукама првенствено произилази из прецизне контроле положаја и контроле обртног момента.
Слика 6 Типична структура интегрисаног зглоба код колаборативних робота
Преглед актуелних истраживања открива да је развој роботике у Кини почео касније него у земљама попут Сједињених Држава и Јапана. Истраживање колаборативних робота и даље значајно заостаје за постојећим међународним производима, а кључна уска грла леже у хармонијским редукторима и системима управљања погоном зглобних мотора. Домаћи колаборативни роботи тренутно имају значајан простор за побољшање могућности управљања зглобовима, посебно у погледу прецизности управљања и интелигентног управљања. Штавише, глобални трендови истраживања роботике указују на то да су безбедност, флексибилност и интелигенција доминантне карактеристике технолошког напретка. Роботски зглобови се развијају ка високо интегрисаним системима управљања погоном и већој интелигенцији. Иако су колаборативни роботски зглобови прешли са традиционалне централизоване контроле на дистрибуиране архитектуре управљања погоном, они тренутно извршавају само радње вођене мотором, недостају им могућности аутономне перцепције, интелигентног доношења одлука и спретног извршења – што резултира релативно ниским нивоима интелигенције. И даље постоји значајан потенцијал за повећање потражње за интелигентним роботским системима.
Време објаве: 22. мај 2026.
