1.1 Предпосылки исследования
В условиях стремительного развития науки и техники,интеллектуальные возможностиПродолжается совершенствование, благодаря чему интеллектуальное производство становится преобладающей тенденцией в промышленном развитии. Например, данные, опубликованные Министерством информационных технологий Китая, показывают, что в 2023 году отечественное интеллектуальное производство достигло впечатляющего роста на 11,6% — свидетельство постоянных усилий страны и технологических инноваций в этой области. Кроме того, значительно возросло количество инноваций среди предприятий интеллектуального производства, охватывающих такие сектора, как производство высокотехнологичного оборудования, передовые материалы и экологические технологии, что отражает жизнеспособность и глубокую трансформацию отрасли. Эта тенденция не только произвела революцию в традиционных методах производства, но и ускорила модернизацию промышленности, повысив как эффективность, так и качество. Все чаще автоматизированные производственные линии и промышленные роботы заменяют человеческий труд.
С развитиемэпоха интеллектуального производстваВысокоавтоматизированные и интеллектуальные технологические особенности промышленных роботов идеально соответствуют растущим требованиям обрабатывающей промышленности к высокой точности, простоте эксплуатации и гибкости производственных процессов. Это повысило их значимость в производстве, сделав их ключевой силой, движущей промышленную трансформацию и модернизацию. Коллаборативные роботы — промышленные устройства, способные к взаимодействию как между машинами, так и между человеком и роботом — стали ключевым направлением исследований в области робототехники благодаря своему автономному поведению и возможностям сотрудничества, что позволяет им играть доминирующую роль в будущей промышленной робототехнике. В технологии коллаборативных роботов показатели производительности серводвигателей, включая скорость отклика крутящего момента, точность крутящего момента, точность позиционирования, энергопотребление и температурную стабильность, напрямую определяют эффективность, стабильность и точность движения робота. Будучи основным источником энергии роботов, производительность сервосистем критически влияет на точность и надежность движения. В частности, серводвигатели в шарнирах играют ключевую роль в обеспечении точности позиционирования. Высококачественный сервомотор шарнира обеспечивает точное позиционирование и стабильное движение при выполнении сложных задач, тем самым повышая эффективность работы и сводя к минимуму ошибки.
В «14-м пятилетнем плане развития робототехнической отрасли» особое внимание уделяется развитию исследований в области интеллектуальных интегрированных роботизированных шарниров, которые особенно подходят для коллаборативных роботов. Их высокоинтегрированная конструкция включает в себя встроенные исполнительные механизмы, датчики и драйверы, превращая каждый шарнир в автономный блок управления. Оптимизация внутренней структуры и компоновки позволяет распределенной архитектуре управления значительно сократить количество кабелей между различными уровнями системы, тем самым снижая затраты на техническое обслуживание и повышая общую надежность. Модульная конструкция также упрощает замену и обслуживание шарниров, существенно повышая конкурентоспособность коллаборативных роботов на рынке.
Онконцепция коллаборативных роботовВпервые представленная в 1996 году, эта технология произвела революцию в традиционной робототехнике, обеспечив скоординированные операции между роботами и людьми на производственных линиях. Такой подход, основанный на сотрудничестве, не только использует эффективность и точность роботов, но и интегрирует человеческий интеллект и гибкость, повышая эффективность и плавность работы. По сравнению с обычными промышленными роботами, коллаборативные роботы обладают отличительными характеристиками, выделяясь в качестве важной подкатегории в области робототехники. Как их физические конструкции, так и системы управления претерпели существенные изменения. Традиционные промышленные роботы, такие как роботизированные манипуляторы, изображенные на рисунке 1, в основном используются для паллетирования, обработки материалов, сварки и лазерной резки. Хотя эти роботы отличаются высокой жесткостью, структурной стабильностью и большой несущей способностью, они также имеют ограничения: относительно большие размеры и масса, значительная инерция движения, громоздкие конструкции с низкой гибкостью и неспособность выполнять высокоточные сборочные задачи. Кроме того, их значительный инерционный момент и высокоскоростные движения представляют значительную опасность для персонала в пределах их рабочего радиуса, что требует работы в замкнутых пространствах.
Рисунок 1. Традиционные промышленные роботизированные манипуляторы и коллаборативные роботы.
Коллаборативные роботы позволяют одновременно работать с людьми в общих пространствах и облегчают взаимодействие на близком расстоянии в зонах совместной работы. По сравнению с традиционными роботизированными манипуляторами, коллаборативные роботы обычно выдерживают максимальную нагрузку в 20 кг на концевом захвате, а их рабочий диапазон сопоставим с радиусом действия человеческой руки. Их конструкция проще, чем у обычных промышленных роботизированных манипуляторов со сложными механизмами передачи, при этом они обеспечивают чувствительную обратную связь по усилию, малый вес, гибкость и надежные возможности восприятия. Эти особенности позволяют им динамически регулировать усилие во время взаимодействия с человеком, эффективно предотвращая серьезные повреждения. Следовательно, коллаборативные роботы могут безопасно сотрудничать с людьми для выполнения задач без необходимости использования традиционных защитных барьеров.
Коллаборативные роботы участвуют в операциях, непосредственно контактирующих с человеком; поэтому безопасность является неотъемлемым требованием в сотрудничестве человека и робота. Крайне важно строго контролировать рабочую мощность и вращательный момент, используя такие технические меры, как управление током, управление крутящим моментом, контактные датчики и обнаружение столкновений, чтобы предотвратить травмы персонала. Интеллектуальные системы управления приводом роботов также требуют дальнейшей оптимизации для обеспечения безопасности, позволяя осуществлять адаптивное плавное управление посредством динамических вычислений и моделирования на основе наблюдателя.
В недавнем исследовании Международная федерация робототехники (IFR) подчеркнула, что будущее развитие робототехники будет в первую очередь демонстрировать тенденции к простоте, удобству использования, гибкости и безопасному взаимодействию. Промышленные роботы будут постепенно достигать более высоких уровней автоматизации и интеллекта; их удобный для пользователя дизайн снизит эксплуатационные барьеры, позволяя большему числу предприятий без труда использовать робототехнические технологии для повышения эффективности производства. В то же время, конструкции, отличающиеся гибкостью и возможностью безопасного взаимодействия, позволят роботам лучше адаптироваться к разнообразным и сложным производственным средам, способствуя сотрудничеству человека и робота и дальнейшему развитию интеллектуального и эффективного промышленного производства.
Рисунок 2: Рабочая зона коллаборативного робота
1.2 Значение исследования
На современном рынке коллаборативной робототехники предпочтение отдается роботам с семью степенями свободы благодаря их широкому диапазону работы и гибкости. Эти роботы обеспечивают избыточные степени свободы, открывая большие возможности для промышленной автоматизации и интеллектуального производства. Каждая степень свободы достигается за счет шарнира робота, который является критически важным фактором, определяющим производительность робота. Четыре основных производителя — FANUC, ABB, Yaskawa и KUKA — используют различные системы трансмиссии в своих традиционных промышленных роботизированных манипуляторах; однако, по сути, они используют серводвигатели в паре с коническими, прямозубыми шестернями или синхронными ремнями для передачи мощности на шарниры для вращения. Эти методы трансмиссии ограничивают размеры шарниров роботов. Хотя достижение высокой точности возможно, миниатюризация остается сложной задачей. Как показано на рисунке 3, традиционные промышленные роботы требуют внешних шкафов управления, в которых размещаются сервоприводы двигателей, причем каждый двигатель соединен с шкафом многочисленными проводами, что ограничивает гибкость развертывания систем управления.
Рисунок 3. Традиционный промышленный робот и шкаф управления.
Учитывая, что традиционные конфигурации шарниров промышленных роботизированных манипуляторов больше не соответствуют требованиям коллаборативных роботов, в этих шарнирах отказались от традиционных механизмов передачи в пользу новой философии проектирования. Этот подход фокусируется на создании легких, низковольтных и высокоинтегрированных систем за счет интеграции контроллера, сервопривода и двигателя внутри самого шарнира, при этом основные электрические соединения также реализованы внутри. Внешне выведено лишь минимальное количество интерфейсов управления, что упрощает внешнюю проводку и снижает сложность проектирования. Такая конструкция называется интегрированным шарниром.
Учитывая современные потребности и тенденции развития шарнирных соединений для коллаборативных роботов, разработка легкого, низковольтного, высокоинтегрированного и высокопроизводительного интегрированного шарнирного соединения для коллаборативных роботов имеет особенно важное значение. Такое интегрированное соединение включает в себя все необходимые компоненты для движения шарнира, включая приводы, контроллеры, драйверы и датчики, и может функционировать независимо как автономный модуль. При подключении к основному контроллеру или другим модулям через простые шины питания и управления, эта высокоэффективная, но при этом малосвязанная конструкция значительно повышает масштабируемость коллаборативных роботов. Используя это интегрированное модульное соединение и сочетая его с роботизированными манипуляторами и концевыми захватами соответствующего размера, можно легко собирать коллаборативных роботов, отвечающих различным требованиям.
Рисунок 4. Схема модульного соединения.
Исследования интегрированных шарниров для коллаборативных роботов и их сервосистем управления имеют важное значение для развития коллаборативной робототехники. Основные технологии этих интегрированных шарниров состоят из двух ключевых компонентов: гармонических редукторов и систем управления приводом двигателя шарнира, а также соответствующих алгоритмов управления. Компания Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. сосредоточила свои исследования на системах управления приводом двигателя шарнира для коллаборативных роботов, проводя углубленные исследования механизмов привода и управления двигателями шарниров. Компания разрабатывает серию высокоинтеллектуальных интегрированных продуктов для управления двигателями шарниров роботов, которые обеспечивают более гибкие и надежные возможности управления шарнирами коллаборативных роботов, одновременно внедряя такие важные функции, как самовосприятие, интеллектуальное принятие решений, ловкое выполнение и точное управление, тем самым удовлетворяя требованиям развития интеллектуального оборудования.
2. Текущее состояние исследований в стране и за рубежом
В 1956 году американский физик Джо Энгельбергер и изобретатель Джордж Девол основали робототехническую компанию Unimation, которая в 1959 году успешно разработала первого в мире промышленного робота — Unimate.
Компания General Motors впервые внедрила роботов в промышленное производство на своем заводе в Нью-Джерси в 1961 году. В 1969 году Япония представила роботов от компании Unimation, позже лицензировав ее технологию компаниям Kawasaki Heavy Industries и британской KUKAI Corporation для производства роботов в Японии и Великобритании соответственно. С развитием японской автомобильной промышленности все большее число роботов заменяет человеческий труд в производстве, в полной мере демонстрируя свою практическую ценность. Следовательно, Япония уделяет все больше внимания развитию промышленной робототехники. Начиная с Kawasaki Heavy Industries, пионера в области внедрения робототехники, и заканчивая появлением всемирно известных робототехнических компаний, таких как FANUC и Yaskawa, Япония стала одной из стран, осваивающих передовые робототехнические технологии в мире.
В 1973 году немецкая компания KUKA модифицировала робота Unimate, создав первого робота с шестью степенями свободы — Famulus, работающего от электродвигателя. В 1974 году шведская компания ASEA (предшественница ABB), занимающаяся производством электрооборудования, разработала первого в мире полностью электрического робота IRB 6, управляемого микропроцессором, что значительно повысило уровень интеллекта роботов. В 1978 году американская компания Unimation широко внедрила своего промышленного робота PUMA на сборочных линиях General Motors, еще раз продемонстрировав практичность и ценность промышленных роботов и ознаменовав полную зрелость технологии промышленной робототехники, тем самым заложив прочную основу для последующих технологических достижений.
За более чем четыре десятилетия развития промышленной робототехники технологический прогресс был непрерывным. Однако из соображений безопасности роботы, как правило, закреплены на определенных рабочих местах и изолированы ограждениями, что не позволяет им работать бок о бок с людьми в одном пространстве. Такая традиционная конфигурация ограничивает взаимодействие человека и робота, затрудняя достижение действительно эффективного сотрудничества. Несмотря на многочисленные попытки и исследования, обеспечение безопасного взаимодействия человека и робота остается серьезной проблемой в области промышленной робототехники.
Лишь в 2005 году крупный проект, финансируемый ЕС, представил концепцию коллаборативных роботов. Эта инициатива объединила ведущие компании в области промышленной робототехники, такие как ABB, KUKA, Reis, Comau и Gudel, для совместной разработки доступного, компактного и гибкого робота, специально предназначенного для малых и средних предприятий, с целью снижения зависимости от аутсорсинга рабочей силы. Этот проект наглядно продемонстрировал потенциал сотрудничества человека и робота, заложив прочную основу для концепции коллаборативных роботов.
Первые коллаборативные роботы представляли собой, по сути, модификации и приложения традиционных промышленных роботов, не меняя принципиально их конструктивную концепцию или режимы работы. С момента своего основания в 2005 году компания Universal Robots посвятила себя разработке коллаборативных роботов, способных безопасно работать бок о бок с людьми. В 2009 году компания выпустила UR5 — первого в мире коллаборативного робота, ознаменовавшего начало этой эры. Впоследствии компания Rethink представила двурукого робота Baxter и нового однорукого робота Sawyer, постепенно утвердив коллаборативную робототехнику как признанную и общепринятую дисциплину в промышленной робототехнике. Этот прогресс открыл новые перспективы и направления для будущей промышленной автоматизации и интеллектуального развития.
Рисунок 5: Робот UR5 и робот Sawyer Baxter
Компания Siasun Robot, входящая в состав Шэньянского института автоматизации Китайской академии наук, впервые представила семиосевого гибкого коллаборативного робота, демонстрирующего передовой технологический уровень Китая, на промышленной выставке в ноябре 2015 года. С тех пор многочисленные отечественные модели коллаборативных роботов, такие как Luoshi и Aobo, постепенно завоевали признание.
Что касается шарниров роботов, то основное отличие шарниров коллаборативных роботов от шарниров традиционных тяжелых промышленных роботов заключается в их «гибкости». Эта гибкость проявляется в меньшей механической жесткости, уменьшенной инерции и способности воспринимать крутящий момент. В настоящее время гибкость шарниров, используемая в коллаборативных роботизированных манипуляторах, в основном обусловлена точным контролем положения и контролем крутящего момента.
Рисунок 6. Типичная структура интегрированного шарнира в коллаборативных роботах.
Обзор современных исследований показывает, что развитие робототехники в Китае началось позже, чем в таких странах, как США и Япония. Исследования в области коллаборативных роботов все еще значительно отстают от существующих международных продуктов, причем ключевыми узкими местами являются гармонические редукторы и системы управления приводом двигателей в шарнирах. В настоящее время отечественные коллаборативные роботы имеют значительный потенциал для улучшения возможностей управления шарнирами, особенно с точки зрения точности управления и интеллектуального управления. Кроме того, глобальные тенденции в исследованиях робототехники указывают на то, что безопасность, гибкость и интеллект являются доминирующими характеристиками технологического прогресса. Шарниры роботов развиваются в направлении высокоинтегрированных систем управления приводом и повышения интеллекта. Хотя шарниры коллаборативных роботов перешли от традиционного централизованного управления к распределенным архитектурам управления приводом, в настоящее время они выполняют только действия, управляемые двигателями, и им не хватает возможностей автономного восприятия, интеллектуального принятия решений и ловкого выполнения, что приводит к относительно низкому уровню интеллекта. Сохраняется значительный потенциал для расширения спроса на интеллектуальные роботизированные системы.
Дата публикации: 22 мая 2026 г.
