1.1 Tyrimo aplinkybės
Sparčiai tobulėjant mokslui ir technologijoms,išmaniosios galimybėstoliau tobulėti, todėl išmanioji gamyba tampa vyraujančia pramonės plėtros tendencija. Pavyzdžiui, Kinijos informacijos pramonės ministerijos paskelbti duomenys rodo, kad 2023 m. šalies išmanioji gamyba pasiekė įspūdingą 11,6 % augimą – tai liudija apie nuolatines šalies pastangas ir technologines inovacijas šioje srityje. Be to, išmaniųjų gamybos įmonių inovacijų skaičius gerokai išaugo, apimant tokius sektorius kaip aukščiausios klasės įrangos gamyba, pažangios medžiagos ir aplinkosaugos technologijos, o tai rodo pramonės gyvybingumą ir gilią transformaciją. Ši tendencija ne tik pakeitė tradicinius gamybos metodus, bet ir paspartino pramonės modernizavimą, didindama tiek efektyvumą, tiek kokybę. Vis dažniau žmonių darbą keičia automatizuotos gamybos linijos ir pramoniniai robotai.
Tobulėjantintelektualios gamybos eraDėl itin automatizuotų ir išmanių pramoninių robotų technologinių savybių puikiai atitinkami augantys gamybos pramonės poreikiai dėl didelio tikslumo, paprasto veikimo ir lankstumo gamybos procesuose. Tai padidino jų svarbą gamyboje, todėl jie tapo pagrindine pramonės transformacijos ir modernizavimo varomąja jėga. Bendradarbiaujantys robotai – pramoniniai įrenginiai, galintys užtikrinti tiek mašinų, tiek žmogaus ir roboto bendradarbiavimą – tapo pagrindiniu robotikos tyrimų objektu dėl savo autonominio elgesio ir bendradarbiavimo galimybių, todėl jie vaidins dominuojantį vaidmenį ateities pramoninėje robotikoje. Bendradarbiaujančių robotų technologijoje servovariklio našumo rodikliai, įskaitant sukimo momento atsako greitį, sukimo momento tikslumą, padėties nustatymo tikslumą, energijos suvartojimą ir temperatūros stabilumą, tiesiogiai lemia roboto judėjimo efektyvumą, stabilumą ir tikslumą. Servovariklių, kaip robotų galios branduolio, našumas daro didelę įtaką judėjimo tikslumui ir patikimumui. Pažymėtina, kad jungčių servovarikliai atlieka lemiamą vaidmenį siekiant padėties nustatymo tikslumo. Puikus jungčių servovariklis užtikrina tikslų padėties nustatymą ir stabilų judėjimą atliekant sudėtingas užduotis, taip padidindamas veiklos efektyvumą ir sumažindamas klaidas.
„14-ajame penkerių metų robotų pramonės plėtros plane“ pabrėžiamas intelektualių integruotų robotinių jungčių tyrimų tobulinimas, o tokios jungtys ypač tinka bendradarbiaujantiems robotams. Jų labai integruota projektavimo koncepcija apima pagrindinius pavaros mechanizmus, jutiklius ir tvarkykles tiesiai į pačią jungtį, paversdama kiekvieną jungtį atskiru valdymo bloku. Optimizuodama vidinę struktūrą ir išdėstymą, paskirstyta valdymo architektūra žymiai sumažina kabelių skaičių tarp skirtingų sistemos lygių, taip sumažindama priežiūros išlaidas ir padidindama bendrą patikimumą. Modulinė konstrukcija taip pat palengvina jungčių keitimą ir priežiūrą, o tai žymiai padidina bendradarbiaujančių robotų konkurencingumą rinkoje.
Thebendradarbiaujančių robotų koncepcijapirmą kartą buvo pristatytas 1996 m., o jo projektavimo filosofija pakeitė tradicinę robotiką, sudarydama sąlygas koordinuotiems robotų ir žmonių veiksmams gamybos linijose. Šis bendradarbiavimu grįstas požiūris ne tik išnaudoja robotų efektyvumą ir tikslumą, bet ir integruoja žmogaus intelektą bei lankstumą, didindamas veiklos efektyvumą ir sklandumą. Palyginti su įprastais pramoniniais robotais, bendradarbiaujantys robotai pasižymi išskirtinėmis savybėmis, todėl robotikos srityje jie užima svarbią subkategoriją. Tiek jų fizinė struktūra, tiek valdymo sistemos buvo gerokai modifikuotos. Tradiciniai pramoniniai robotai, tokie kaip 1 paveiksle pavaizduotos robotinės rankos konfigūracijos, daugiausia naudojami paletavimo, medžiagų tvarkymo, suvirinimo ir lazerinio pjovimo srityse. Nors šie robotai pasižymi dideliu standumu, konstrukciniu stabilumu ir didele laikomąja galia, jie taip pat turi apribojimų: santykinai didelį dydį ir masę, didelę judėjimo inerciją, didelių gabaritų konstrukcijas su mažu lankstumu ir nesugebėjimą atlikti labai judrių surinkimo užduočių. Be to, didelis inercinis impulsas ir greiti judesiai kelia didelę saugos riziką personalui jų veikimo spinduliu, todėl būtina dirbti uždarose patalpose.
1 pav. Tradicinės pramoninės robotinės rankos ir bendradarbiaujantys robotai
Bendradarbiaujantys robotai leidžia vienu metu dirbti su žmonėmis bendrose erdvėse ir palengvina artimą sąveiką bendradarbiavimo zonose. Palyginti su tradicinėmis robotų rankomis, bendradarbiaujantys robotai paprastai gali atlaikyti iki 20 kg apkrovą ties savo galiniu efektoriumi, o jų veikimo diapazonas panašus į žmogaus rankos pasiekiamumą. Jų konstrukcija yra paprastesnė nei įprastų pramoninių robotų rankų, pasižyminčių sudėtingais perdavimo mechanizmais, tuo pačiu pasižymint jautriu jėgos grįžtamuoju ryšiu, lengvu lankstumu ir tvirtomis suvokimo galimybėmis. Šios savybės leidžia jiems dinamiškai reguliuoti jėgą žmonių sąveikos metu, veiksmingai užkertant kelią smurtinei žalai. Todėl bendradarbiaujantys robotai gali saugiai bendradarbiauti su žmonėmis, kad atliktų užduotis, nereikalaudami tradicinių saugos barjerų.
Bendradarbiaujantys robotai tiesiogiai sąveikauja su žmonėmis, todėl saugumas yra būtinas reikalavimas bendradarbiaujant su žmonėmis. Būtina griežtai kontroliuoti veikimo galią ir sukimo momentą, kartu taikant technines priemones, tokias kaip srovės valdymas, sukimo momento valdymas, kontaktiniai jutikliai ir susidūrimų aptikimas, siekiant išvengti personalo sužalojimų. Robotų išmaniąsias pavaros valdymo sistemas taip pat reikia toliau optimizuoti saugos valdymui, įgalinant adaptyvų sklandų valdymą taikant dinaminius skaičiavimus ir stebėtojų pagrindu veikiantį modeliavimą.
Neseniai atliktame tyrime Tarptautinė robotikos federacija (IFR) pabrėžė, kad būsimų robotų kūrimas pirmiausia pasižymės paprastumo, naudojimo paprastumo, lankstumo ir saugaus bendradarbiavimo tendencijomis. Pramoniniai robotai palaipsniui pasieks aukštesnį automatizavimo ir intelekto lygį; jų patogus dizainas sumažins veiklos kliūtis, leisdamas daugiau įmonių lengvai panaudoti robotikos technologijas gamybos efektyvumui didinti. Tuo tarpu lankstūs ir saugaus bendradarbiavimo galimybes užtikrinantys dizainai leis robotams geriau prisitaikyti prie įvairios ir sudėtingos gamybos aplinkos, palengvindami žmonių ir robotų bendradarbiavimą ir toliau skatindami intelektualią ir efektyvią pramoninės gamybos plėtrą.
2 pav.: Bendradarbiaujančio roboto darbo zona
1.2 Tyrimo reikšmė
Dabartinėje bendradarbiaujančių robotų rinkoje septynių laisvės laipsnių robotai yra pageidaujami dėl plataus veikimo diapazono ir lankstumo. Šie robotai suteikia papildomus laisvės laipsnius, o tai suteikia didesnį potencialą pramoninei automatizacijai ir išmaniajai gamybai. Kiekvienas laisvės laipsnis pasiekiamas per robotinę jungtį, kuri yra labai svarbus veiksnys, lemiantis roboto našumą. Keturi pagrindiniai gamintojai – FANUC, ABB, Yaskawa ir KUKA – savo tradicinėse pramoninių robotų rankose naudoja skirtingas perdavimo sistemas; tačiau jie iš esmės naudoja servo variklius, suporuotus su kūginėmis pavaromis, cilindrinėmis pavaromis arba sinchroniniais diržais, kad perduotų galią sukimosi jungtims. Šie perdavimo metodai riboja robotinių jungčių dydį. Nors pasiekti didelį tikslumą įmanoma, miniatiūrizavimas išlieka sudėtingas. Kaip parodyta 3 paveiksle, tradiciniams pramoniniams robotams reikalingos išorinės valdymo spintos, kuriose yra variklio servo pavaros, o daugybė laidų jungia kiekvieną variklį su spintele, todėl ribojamas lankstus valdymo sistemų diegimas.
3 pav. Tradicinis pramoninis robotas ir valdymo spinta
Atsižvelgiant į tai, kad tradicinės pramoninių robotų rankų jungčių konfigūracijos nebegali patenkinti bendradarbiaujančių robotų reikalavimų, šios jungtys atsisakė įprastų perdavimo mechanizmų ir pasirinko naują projektavimo filosofiją. Šis požiūris orientuotas į lengvų, žemos įtampos ir labai integruotų sistemų kūrimą, integruojant valdiklį, servo pavarą ir variklį pačioje jungtyje, o pagrindinės elektros jungtys taip pat įdiegtos viduje. Išorėje yra tik minimalus skaičius valdymo sąsajų, todėl supaprastinamas išorinis laidų išvedžiojimas ir sumažėja inžinerinis sudėtingumas. Tokia konstrukcija vadinama integruota jungtimi.
Atsižvelgiant į dabartinius bendradarbiaujančių robotų jungčių plėtros poreikius ir tendencijas, ypač svarbu suprojektuoti lengvą, žemos įtampos, labai integruotą ir didelio našumo integruotą bendradarbiaujančią robotų jungtį. Tokia integruota jungtis apima visus esminius komponentus, reikalingus jungties judėjimui, įskaitant pavaras, valdiklius, tvarkykles ir jutiklius, ir gali veikti savarankiškai kaip atskiras modulis. Prijungus prie pagrindinio valdiklio ar kitų modulių per paprastas maitinimo ir valdymo magistrales, ši labai darni, tačiau mažai jungiama konstrukcija žymiai padidina bendradarbiaujančių robotų mastelio keitimą. Naudojant šią integruotą modulinę jungtį ir sujungiant ją su tinkamo dydžio robotinėmis rankomis ir galiniais efektoriais, galima lengvai surinkti įvairiems reikalavimams pritaikytus bendradarbiaujančius robotus.
4 pav. Modulinės jungties schema
Integruotų jungčių, skirtų bendradarbiaujantiems robotams, ir jų servo valdymo sistemų tyrimai yra labai svarbūs bendradarbiaujančių robotų pažangai. Šių integruotų jungčių pagrindinės technologijos susideda iš dviejų pagrindinių komponentų: harmoninių reduktorių ir jungčių variklių pavaros valdymo sistemų kartu su atitinkamais valdymo algoritmais. „Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd.“ daugiausia dėmesio skiria bendradarbiaujančių robotų jungčių variklių pavaros valdymo sistemų tyrimams, atlikdama išsamius jungčių variklių pavaros ir valdymo mechanizmų tyrimus. Bendrovė kuria labai išmanių integruotų robotų jungčių variklių gaminių seriją, kuri suteikia lankstesnes ir patikimesnes bendradarbiaujančių robotų jungčių valdymo galimybes, kartu įtraukdama tokias svarbias savybes kaip savęs suvokimas, išmanus sprendimų priėmimas, miklus vykdymas ir tikslus valdymas, taip patenkindama išmaniosios įrangos kūrimo poreikius.
2 Dabartinė tyrimų padėtis šalyje ir tarptautiniu mastu
1956 m. amerikiečių fizikas Joe Engelbergeris ir išradėjas George'as Devolis įkūrė robotikos įmonę „Unimation“, kuri 1959 m. sėkmingai sukūrė pirmąjį pasaulyje pramoninį robotą – „Unimate“.
„General Motors“ pirmą kartą pramoninėje gamyboje robotus pradėjo naudoti 1961 m. savo gamykloje Naujajame Džersyje. 1969 m. Japonija pristatė „Unimation“ robotus, vėliau licencijuodama savo technologiją „Kawasaki Heavy Industries“ ir Jungtinėje Karalystėje įsikūrusiai „KUKAI Corporation“ robotų gamybos operacijoms atitinkamai Japonijoje ir Jungtinėje Karalystėje. Tobulėjant Japonijos automobilių pramonei, vis daugiau robotų pakeitė žmonių darbą gamyboje, visiškai įrodydami jų praktinę vertę. Todėl Japonija vis daugiau dėmesio skiria pramoninių robotų plėtrai. Pradėjusi nuo „Kawasaki Heavy Industries“, kaip robotų technologijų diegimo pradininkės, o vėliau atsiradusios pasaulyje žinomos robotų kompanijos, tokios kaip „FANUC“ ir „Yaskawa“, Japonija tapo viena iš šalių, visame pasaulyje įvaldžiusių pažangiausias robotų technologijas.
1973 m. Vokietijos bendrovė „KUKA“ modifikavo robotą „Unimate“ ir sukūrė pirmąjį šešių laisvės laipsnių robotą „Famulus“, varomą elektros varikliu. 1974 m. Švedijos generalinės elektros įmonė ASEA (ABB pirmtakė) sukūrė pirmąjį pasaulyje visiškai elektrinį robotą IRB 6, valdomą mikroprocesoriaus, kuris ženkliai padidino roboto intelektą. 1978 m. JAV įsikūrusi bendrovė „Unimation Company“ plačiai panaudojo savo pramoninį robotą PUMA „General Motors“ surinkimo linijose, dar labiau pademonstruodama pramoninių robotų praktiškumą ir vertę bei pažymėdama visišką pramoninių robotų technologijos brandą ir taip padėdama tvirtą pagrindą vėlesnei technologinei pažangai.
Per daugiau nei keturis pramoninių robotų kūrimo dešimtmečius technologinė pažanga buvo nuolatinė. Tačiau dėl saugumo sumetimų robotai paprastai yra pritvirtinami prie konkrečių darbo vietų ir izoliuojami apsauginiais turėklais, todėl jie negali dirbti kartu su žmonėmis toje pačioje erdvėje. Ši tradicinė konfigūracija riboja žmogaus ir roboto bendradarbiavimą, todėl sunku pasiekti tikrai efektyvų bendradarbiavimo procesą. Nepaisant daugybės bandymų ir tyrinėjimų, saugaus žmogaus ir roboto bendradarbiavimo užtikrinimas išlieka pagrindiniu iššūkiu pramoninių robotų srityje.
Tik 2005 m. didelis ES finansuojamas projektas pristatė bendradarbiaujančių robotų koncepciją. Iniciatyva subūrė pirmaujančias pramoninių robotų bendroves, tokias kaip ABB, KUKA, Reis, Comau ir Gudel, kad kartu sukurtų prieinamą, kompaktišką ir lankstų robotą, specialiai skirtą mažoms ir vidutinėms įmonėms, siekiant sumažinti priklausomybę nuo darbo jėgos perdavimą iš išorės. Šis projektas aiškiai pabrėžė žmogaus ir roboto bendradarbiavimo potencialą, padėdamas tvirtą pagrindą bendradarbiaujančių robotų koncepcijai.
Ankstyvieji bendradarbiaujantys robotai pirmiausia buvo tradicinių pramoninių robotų modifikacijos ir pritaikymai, iš esmės nekeičiant jų projektavimo filosofijos ar veikimo režimų. Nuo pat įkūrimo 2005 m. „Universal Robots“ buvo skirta bendradarbiaujančių robotų, galinčių saugiai dirbti kartu su žmonėmis, kūrimui. 2009 m. bendrovė pristatė UR5 – pirmąjį pasaulyje bendradarbiaujantį robotą, kuris pažymėjo šios eros aušrą. Vėliau „Rethink“ pristatė dvirankį „Baxter“ ir naująjį vienarankį „Sawyer“ robotą, palaipsniui įtvirtindama bendradarbiaujančią robotiką kaip pripažintą ir priimtiną pramonės robotikos discipliną. Ši pažanga suteikė naujų įžvalgų ir krypčių būsimai pramonės automatizacijai ir išmaniajai plėtrai.
5 pav.: UR5 robotas ir Sawyer Baxter robotas
„Siasun Robot Company“, Kinijos mokslų akademijos Šenjango automatizavimo instituto narė, 2015 m. lapkritį vykusioje pramonės parodoje pirmą kartą pristatė septynių ašių lankstų bendradarbiaujantį robotą, atspindintį pažangų Kinijos technologinį lygį. Nuo to laiko daugybė vietinių bendradarbiaujančių robotų modelių, tokių kaip „Luoshi“ ir „Aobo“, palaipsniui pelnė pripažinimą.
Kalbant apie robotų jungtis, pagrindinis skirtumas tarp bendradarbiaujančių robotų jungčių ir tradicinių sunkiųjų pramoninių robotų jungčių yra jų „lankstumas“. Šis lankstumas pasireiškia mažesniu mechaniniu standumu, sumažinta inercija ir gebėjimu aptikti sukimo momentą. Šiuo metu bendradarbiaujančiose robotų rankose naudojamas jungčių lankstumas daugiausia kyla iš tikslaus padėties valdymo ir sukimo momento valdymo.
6 pav. Tipinė integruotos jungties struktūra bendradarbiaujančiuose robotuose.
Apžvelgiant dabartinius tyrimus, matyti, kad Kinijos robotikos plėtra prasidėjo vėliau nei tokiose šalyse kaip Jungtinės Valstijos ir Japonija. Bendradarbiaujančių robotų tyrimai vis dar gerokai atsilieka nuo esamų tarptautinių produktų, o pagrindinės kliūtys yra harmonikų reduktoriai ir jungtinės variklio pavaros valdymo sistemos. Vietiniai bendradarbiaujantys robotai šiuo metu turi daug galimybių tobulinti jungčių valdymo galimybes, ypač valdymo tikslumo ir intelektualaus valdymo srityse. Be to, pasaulinės robotikos tyrimų tendencijos rodo, kad saugumas, lankstumas ir intelektas yra dominuojančios technologinės pažangos savybės. Robotų jungtys vystosi link labai integruotų pavaros valdymo sistemų ir didesnio intelekto. Nors bendradarbiaujančių robotų jungtys perėjo nuo tradicinio centralizuoto valdymo prie paskirstytos pavaros valdymo architektūros, šiuo metu jos atlieka tik variklio valdomus veiksmus, joms trūksta autonominio suvokimo, intelektualaus sprendimų priėmimo ir miklaus vykdymo galimybių, todėl intelekto lygis yra santykinai žemas. Išlieka didelis potencialas didinti intelektualių robotų sistemų paklausą.
Įrašo laikas: 2026 m. gegužės 22 d.
