1.1 Изследователска информация
С бързия напредък на науката и технологиите,интелигентни възможностипродължават да се подобряват, което прави интелигентното производство преобладаваща тенденция в индустриалното развитие. Например, данни, публикувани от Министерството на информационната индустрия на Китай, показват, че интелигентното производство в страната е постигнало забележителен растеж от 11,6% през 2023 г. - доказателство за постоянните усилия на нацията и технологичните иновации в тази област. Освен това броят на иновациите сред предприятията за интелигентно производство се е увеличил значително, обхващайки сектори като производство на висококачествено оборудване, съвременни материали и екологични технологии, което отразява жизнеността и дълбоката трансформация на индустрията. Тази тенденция не само революционизира традиционните методи на производство, но и ускори индустриалната модернизация, повишавайки както ефективността, така и качеството. Все по-често автоматизираните производствени линии и индустриалните роботи заместват човешкия труд.
С напредването наерата на интелигентното производствоВисокоавтоматизираните и интелигентни технологични характеристики на индустриалните роботи се съгласуват перфектно с нарастващите изисквания на производствената индустрия за висока прецизност, лекота на работа и гъвкавост в производствените процеси. Това повиши тяхното значение в производството, превръщайки ги в ключова сила, движеща индустриалната трансформация и модернизация. Колаборативните роботи – индустриални устройства, способни да постигнат сътрудничество както машина-машина, така и човек-робот – се очертаха като ключов фокус в изследванията на роботиката поради автономното си поведение и възможности за сътрудничество, което ги позиционира да играят доминираща роля в бъдещата индустриална роботика. В технологията на колаборативните роботи, показателите за производителност на серво моторите – включително скорост на реакция на въртящия момент, точност на въртящия момент, прецизност на позициониране, консумация на енергия и температурна стабилност – директно определят ефективността, стабилността и точността на движението на робота. Като силово ядро на роботите, производителността на серво системите влияе критично върху прецизността и надеждността на движението. По-специално, съчленените серво мотори играят ключова роля за постигане на точност на позициониране. Отличният съчленен серво мотор осигурява прецизно позициониране и стабилно движение по време на сложни задачи, като по този начин повишава оперативната ефективност и минимизира грешките.
„14-ият петгодишен план за развитие на роботната индустрия“ набляга на напредъка в изследванията на интелигентни интегрирани роботизирани съединения, като такива съединения са особено подходящи за колаборативни роботи. Тяхната силно интегрирана дизайнерска концепция включва основни задвижващи механизми, сензори и драйвери директно в самото съединение, превръщайки всяко съединение в самостоятелно управляващо устройство. Чрез оптимизиране на вътрешната структура и оформление, разпределената архитектура на управление значително намалява броя на кабелите между различните системни нива, като по този начин намалява разходите за поддръжка и повишава общата надеждност. Модулният дизайн също така улеснява по-лесната подмяна и поддръжка на съединенията, което значително повишава пазарната конкурентоспособност на колаборативните роботи.
Theконцепция за колаборативни роботибеше представена за първи път през 1996 г., като нейната философия на дизайна революционизира традиционната роботика, като позволява координирани операции между роботи и хора на производствени линии. Този съвместен подход не само използва ефективността и прецизността на роботите, но също така интегрира човешкия интелект и гъвкавост, подобрявайки оперативната ефективност и плавността. В сравнение с конвенционалните индустриални роботи, колаборативните роботи показват отличителни характеристики, утвърждавайки се като значителна подкатегория в областта на роботиката. Както физическите им структури, така и системите за управление са претърпели значителни модификации. Традиционните индустриални роботи – като конфигурациите на роботизираната ръка, изобразени на Фигура 1 – се използват предимно в приложения за палетизиране, обработка на материали, заваряване и лазерно рязане. Въпреки че тези роботи се отличават с висока твърдост, структурна стабилност и силна товароносимост, те също така имат ограничения: относително голям размер и маса, значителна инерция на движение, обемисти конструкции с лоша гъвкавост и невъзможност за изпълнение на високо пъргави задачи по сглобяване. Освен това, техният значителен инерционен импулс и високоскоростни движения представляват значителни рискове за безопасността на персонала в рамките на техния оперативен радиус, което налага работа в затворени, затворени пространства.
Фигура 1 Традиционни индустриални роботизирани ръце и колаборативни роботи
Колаборативните роботи позволяват едновременна работа с хора в споделени пространства и улесняват взаимодействието на близко разстояние в рамките на съвместните зони. В сравнение с традиционните роботизирани ръце, колаборативните роботи обикновено носят максимално натоварване от 20 кг в крайния си ефектор, с работен обхват, сравним с този на обхвата на човешка ръка. Структурата им е по-проста от тази на конвенционалните индустриални роботизирани ръце, отличаваща се със сложни механизми за предаване, като същевременно предлагат чувствителна обратна връзка по силата, лека гъвкавост и стабилни възможности за възприятие. Тези характеристики им позволяват динамично да регулират силата по време на човешки взаимодействия, като ефективно предотвратяват тежки повреди. Следователно, колаборативните роботи могат безопасно да си сътрудничат с хора за изпълнение на задачи, без да се нуждаят от традиционни предпазни бариери.
Сътрудническите роботи участват в операции с директен контакт с човек; следователно безопасността е задължително изискване при сътрудничеството човек-робот. От съществено значение е стриктно да се контролира оперативната мощност и въртящият момент, като същевременно се използват технически мерки като контрол на тока, контрол на въртящия момент, контактни сензори и откриване на сблъсък, за да се предотвратят наранявания на персонала. Интелигентните системи за управление на задвижването на роботите също изискват допълнителна оптимизация за управление на безопасността, позволявайки адаптивно плавно управление чрез динамични изчисления и моделиране, базирано на наблюдател.
В скорошно проучване Международната федерация по роботика (IFR) подчерта, че бъдещото развитие на роботите ще показва предимно тенденции към простота, лекота на използване, гъвкавост и безопасно сътрудничество. Индустриалните роботи постепенно ще постигат по-високи нива на автоматизация и интелигентност; техният лесен за употреба дизайн ще намали оперативните бариери, което ще позволи на повече предприятия без усилие да използват роботизираните технологии за повишаване на ефективността на производството. В същото време, дизайните с гъвкавост и възможности за безопасно сътрудничество ще позволят на роботите да се адаптират по-добре към разнообразни и сложни производствени среди, улеснявайки сътрудничеството между човек и робот и допълнително насърчавайки интелигентното и ефективно развитие на промишленото производство.
Фигура 2: Работна зона на колаборативния робот
1.2 Значение на изследването
На настоящия пазар на колаборативна роботика, роботите със седем степени на свобода са предпочитани заради широкия си оперативен обхват и гъвкавост. Тези роботи осигуряват излишни степени на свобода, предлагайки по-голям потенциал за индустриална автоматизация и интелигентно производство. Всяка степен на свобода се постига чрез роботизирана става, която служи като критичен фактор за определяне на роботизираната производителност. Четирите основни производителя - FANUC, ABB, Yaskawa и KUKA - използват различни трансмисионни системи в своите традиционни индустриални роботизирани ръце; те обаче по същество използват серводвигатели, сдвоени с конусни зъбни колела, цилиндрични зъбни колела или синхронни ремъци, за да предават мощност към ставите за въртене. Тези методи на предаване ограничават размера на роботизираните стави. Въпреки че постигането на висока прецизност е възможно, миниатюризацията остава предизвикателство. Както е показано на Фигура 3, традиционните индустриални роботи изискват външни шкафове за управление, в които се помещават серво задвижвания на мотори, с множество проводници, свързващи всеки двигател с шкафа, като по този начин се ограничава гъвкавото разполагане на системите за управление.
Фигура 3 Традиционен индустриален робот и контролен шкаф
Като се има предвид, че традиционните конфигурации на съединенията на индустриалните роботизирани рамена вече не могат да отговорят на изискванията на колаборативните роботи, тези съединения са изоставили конвенционалните механизми за предаване в полза на новаторска философия на дизайна. Този подход се фокусира върху постигането на леки, нисковолтови и високо интегрирани системи чрез интегриране на контролера, серво драйвера и двигателя в самото съединение, като основните електрически връзки също са реализирани вътрешно. Само минимален брой контролни интерфейси са изложени външно, което опростява външното окабеляване и намалява инженерната сложност. Такъв дизайн се нарича интегрирано съединение.
Предвид настоящите нужди и тенденции в развитието на съвместните роботизирани съединения, проектирането на лека, нисковолтова, високо интегрирана и високопроизводителна интегрирана роботна връзка е особено важно. Такава интегрирана връзка включва всички основни компоненти, необходими за движението на ставата – включително задвижващи механизми, контролери, драйвери и сензори – и може да функционира независимо като самостоятелен модул. Когато е свързана към главния контролер или други модули чрез прости захранващи и управляващи шини, тази силно сплотена, но нискосвързана конструкция значително подобрява мащабируемостта на съвместните роботи. Чрез използването на тази интегрирана модулна връзка и сдвояването ѝ с подходящо оразмерени роботизирани ръце и крайни ефектори, могат лесно да се сглобяват съвместни роботи, пригодени към различни изисквания.
Фигура 4 Схематична диаграма на модулното съединение
Изследванията върху интегрирани съединения за колаборативни роботи и техните серво системи за управление са от съществено значение за развитието на колаборативната роботика. Основните технологии на тези интегрирани съединения се състоят от два ключови компонента: хармонични редуктори и системи за управление на задвижването и управлението на съвместни двигатели, заедно със съответните им алгоритми за управление. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. фокусира своите изследвания върху системи за управление на задвижването и управлението на съвместни двигатели за колаборативни роботи, провеждайки задълбочени проучвания на механизмите за задвижване и управление на съвместни двигатели. Компанията разработва серия от високоинтелигентни интегрирани продукти за роботизирани съединения и двигатели, които позволяват по-гъвкави и надеждни възможности за управление на съвместни роботизирани съединения, като същевременно включват критични характеристики като самовъзприятие, интелигентно вземане на решения, сръчно изпълнение и прецизен контрол, като по този начин отговарят на изискванията за разработване на интелигентно оборудване.
2 Текущо състояние на научните изследвания в страната и чужбина
През 1956 г. американският физик Джо Енгелбергер и изобретателят Джордж Девол основават компания за роботика, наречена Unimation, която успешно разработва първия в света индустриален робот - Unimate - през 1959 г.
General Motors за първи път внедрява роботи в промишленото производство в завода си в Ню Джърси през 1961 г. През 1969 г. Япония въвежда роботи от Unimation, като по-късно лицензира технологията ѝ на Kawasaki Heavy Industries и британската KUKAI Corporation за производствени операции с роботи съответно в Япония и Обединеното кралство. С развитието на японската автомобилна индустрия, все по-голям брой роботи заместват човешкия труд в производството, демонстрирайки напълно практическата им стойност. Следователно, Япония поставя все по-голям акцент върху развитието на индустриалната роботика. Започвайки с Kawasaki Heavy Industries като пионер в приемането на роботизирани технологии, последвано от появата на световноизвестни компании за роботика като FANUC и Yaskawa, Япония се превръща в една от нациите, овладяващи авангардни роботизирани технологии в световен мащаб.
През 1973 г. немската компания KUKA модифицира робота Unimate, за да създаде първия робот с шест степени на свобода - Famulus, задвижван от електрически двигател. През 1974 г. ASEA (предшественик на ABB), шведска компания за обща електротехника, разработва първия в света изцяло електрически робот - IRB 6, управляван от микропроцесор, значително подобрявайки роботния интелект. През 1978 г. американската компания Unimation широко внедрява своя индустриален робот PUMA на монтажните линии на General Motors, демонстрирайки допълнително практичността и стойността на индустриалните роботи и отбелязвайки пълната зрялост на технологията за индустриална роботика, като по този начин полага солидна основа за последващи технологични постижения.
През повече от четирите десетилетия развитие на индустриалната роботика, технологичният напредък е непрекъснат. Въпреки това, поради съображения за безопасност, роботите обикновено са фиксирани на специфични работни станции и изолирани от предпазни огради, което им пречи да работят рамо до рамо с хора в едно и също пространство. Тази традиционна конфигурация ограничава сътрудничеството човек-робот, което затруднява постигането на наистина ефективни кооперативни операции. Въпреки многобройните опити и проучвания, постигането на безопасно сътрудничество човек-робот остава основно предизвикателство в областта на индустриалната роботика.
Едва през 2005 г. голям проект, финансиран от ЕС, въведе концепцията за колаборативни роботи. Инициативата обедини водещи компании за индустриална роботика като ABB, KUKA, Reis, Comau и Gudel, за да разработят съвместно достъпен, компактен и гъвкав робот, специално проектиран за малки и средни предприятия, с цел намаляване на зависимостта от аутсорсинг на работна сила. Този проект изрично подчерта потенциала на сътрудничеството между човек и робот, полагайки солидна основа за концепцията за колаборативни роботи.
Ранните колаборативни роботи са били предимно модификации и приложения на традиционните индустриални роботи, без да променят фундаментално тяхната философия на проектиране или режими на работа. От създаването си през 2005 г., Universal Robots е посветена на разработването на колаборативни роботи, способни да работят безопасно заедно с човешки работници. През 2009 г. компанията пусна на пазара UR5 - първият в света колаборативен робот - отбелязвайки началото на тази ера. Впоследствие Rethink представи двуръкия Baxter и новия едноръки Sawyer робот, като постепенно утвърди колаборативната роботика като призната и приета дисциплина в рамките на индустриалната роботика. Този напредък предостави нови прозрения и насоки за бъдеща индустриална автоматизация и интелигентно развитие.
Фигура 5: Робот UR5 и робот Sawyer Baxter
Компанията Siasun Robot, свързана с Института по автоматизация в Шенянг към Китайската академия на науките, за първи път представи седемосен гъвкав колаборативен робот, представляващ напредналото технологично ниво на Китай, на Индустриалното изложение през ноември 2015 г. Оттогава многобройни местни модели колаборативни роботи, като Luoshi и Aobo, постепенно спечелиха признание.
Що се отнася до роботизираните съединения, основната разлика между съединенията на колаборативните роботи и тези на традиционните тежкотоварни промишлени роботи се крие в тяхната „гъвкавост“. Тази гъвкавост се проявява чрез по-ниска механична твърдост, намалена инерция и способност за улавяне на въртящ момент. В момента гъвкавостта на съединенията, използвана в колаборативните роботизирани ръце, произтича главно от прецизния контрол на позицията и контрола на въртящия момент.
Фигура 6 Типична структура на интегрираното съединение в колаборативни роботи
Преглед на текущите изследвания показва, че развитието на роботиката в Китай е започнало по-късно от това на страни като Съединените щати и Япония. Изследванията върху колаборативни роботи все още изостават значително от съществуващите международни продукти, като основните пречки се крият в хармоничните редуктори и системите за управление на задвижването на двигатели. В момента местните колаборативни роботи имат значителен потенциал за подобрение във възможностите за управление на ставите, особено по отношение на прецизността на управлението и интелигентното управление. Освен това, глобалните тенденции в изследванията на роботиката показват, че безопасността, гъвкавостта и интелигентността са доминиращи характеристики на технологичния напредък. Роботните стави се развиват към силно интегрирани системи за управление на задвижването и по-голяма интелигентност. Въпреки че колаборативните роботизирани стави са преминали от традиционно централизирано управление към разпределени архитектури за управление на задвижването, в момента те изпълняват само действия, задвижвани от двигатели, като им липсват възможности за автономно възприятие, интелигентно вземане на решения и сръчно изпълнение, което води до относително ниски нива на интелигентност. Все още има значителен потенциал за разширяване на търсенето на интелигентни роботизирани системи.
Време на публикуване: 22 май 2026 г.
