1.1 Navorsingsagtergrond
Met die vinnige vooruitgang van wetenskap en tegnologie,intelligente vermoënsvoortgaan om te verbeter, wat slim vervaardiging 'n heersende tendens in industriële ontwikkeling maak. Data wat vrygestel is deur China se Ministerie van Inligtingsbedryf toon byvoorbeeld dat binnelandse slim vervaardiging 'n merkwaardige groei van 11,6% in 2023 behaal het - 'n bewys van die land se volgehoue pogings en tegnologiese innovasie op hierdie gebied. Verder het die aantal innovasies onder slim vervaardigingsondernemings aansienlik gestyg, wat sektore soos hoë-end toerustingvervaardiging, gevorderde materiale en omgewingstegnologieë omvat, wat die bedryf se vitaliteit en diepgaande transformasie weerspieël. Hierdie tendens het nie net tradisionele vervaardigingsmetodes gerevolusioneer nie, maar ook industriële opgradering versnel, wat beide doeltreffendheid en kwaliteit verbeter. Toenemend vervang outomatiese produksielyne en industriële robotte menslike arbeid.
Met die vooruitgang van dieintelligente vervaardigingsera, die hoogs outomatiese en intelligente tegnologiese kenmerke van industriële robotte stem perfek ooreen met die vervaardigingsbedryf se groeiende eise vir hoë presisie, operasionele gemak en buigsaamheid in produksieprosesse. Dit het hul belangrikheid in vervaardiging verhoog, wat hulle 'n sentrale krag maak wat industriële transformasie en opgradering dryf. Samewerkende robotte - industriële toestelle wat beide masjien-tot-masjien en mens-robot samewerking kan bereik - het na vore gekom as 'n sleutelfokus in robotika-navorsing as gevolg van hul outonome gedrag en samewerkende vermoëns, wat hulle posisioneer om 'n dominante rol in toekomstige industriële robotika te speel. In samewerkende robottegnologie bepaal servomotorprestasie-maatstawwe - insluitend wringkragreaksiespoed, wringkragakkuraatheid, posisioneringspresisie, kragverbruik en temperatuurstabiliteit - direk 'n robot se bewegingsdoeltreffendheid, stabiliteit en akkuraatheid. As die kragkern van robotte, beïnvloed servostelsels se prestasie bewegingspresisie en betroubaarheid krities. Veral gesamentlike servomotors speel 'n sentrale rol in die bereiking van posisioneringsakkuraatheid. 'n Uitstekende gesamentlike servomotor verseker presiese posisionering en stabiele beweging tydens komplekse take, waardeur operasionele doeltreffendheid verbeter en foute geminimaliseer word.
Die "14de Vyfjaarplan vir die Ontwikkeling van Robotnywerheid" beklemtoon die bevordering van navorsing oor intelligente geïntegreerde robotgewrigte, met sulke gewrigte wat veral geskik is vir samewerkende robotte. Hul hoogs geïntegreerde ontwerpkonsep inkorporeer onderliggende aktuators, sensors en drywers direk in die gewrig self, wat elke gewrig in 'n losstaande beheereenheid omskep. Deur die interne struktuur en uitleg te optimaliseer, verminder die verspreide beheerargitektuur die aantal kabels tussen verskillende stelselvlakke aansienlik, wat onderhoudskoste verlaag en algehele betroubaarheid verbeter. Die modulêre ontwerp vergemaklik ook makliker gewrigsvervanging en onderhoud, wat die markmededingendheid van samewerkende robotte aansienlik verhoog.
Diekonsep van samewerkende robotteis die eerste keer in 1996 bekendgestel, met sy ontwerpfilosofie wat tradisionele robotika gerevolusioneer het deur gekoördineerde bedrywighede tussen robotte en mense op produksielyne moontlik te maak. Hierdie samewerkende benadering benut nie net die doeltreffendheid en presisie van robotte nie, maar integreer ook menslike intelligensie en buigsaamheid, wat operasionele doeltreffendheid en vloeibaarheid verbeter. In vergelyking met konvensionele industriële robotte, vertoon samewerkende robotte duidelike eienskappe en vestig hulself as 'n beduidende subkategorie binne die robotika-veld. Beide hul fisiese strukture en beheerstelsels het aansienlike veranderinge ondergaan. Tradisionele industriële robotte - soos die robotarmkonfigurasies wat in Figuur 1 uitgebeeld word - word hoofsaaklik gebruik in palletisering, materiaalhantering, sweiswerk en lasersny-toepassings. Alhoewel hierdie robotte hoë styfheid, strukturele stabiliteit en sterk dravermoë het, bied hulle ook beperkings: relatief groot grootte en massa, beduidende bewegings traagheid, lywige ontwerpe met swak buigsaamheid, en onvermoë om hoogs rats monteertake uit te voer. Daarbenewens hou hul aansienlike traagheidsmomentum en hoëspoedbewegings aansienlike veiligheidsrisiko's in vir personeel binne hul operasionele radius, wat operasie binne geslote, afgeslote areas noodsaak.
Figuur 1 Tradisionele industriële robotarms en samewerkende robotte
Samewerkende robotte maak gelyktydige werking met mense in gedeelde ruimtes moontlik en fasiliteer interaksie op kort afstand binne samewerkingsones. In vergelyking met tradisionele robotarms dra samewerkende robotte tipies 'n maksimum las van 20 kg by hul eindeffektor, met 'n operasionele reikwydte vergelykbaar met dié van 'n menslike arm se bereik. Hul struktuur is eenvoudiger as dié van konvensionele industriële robotarms met komplekse transmissiemeganismes, terwyl dit sensitiewe kragterugvoer, liggewig-buigsaamheid en robuuste persepsievermoëns bied. Hierdie kenmerke stel hulle in staat om krag dinamies aan te pas tydens menslike interaksies, wat effektief gewelddadige skade voorkom. Gevolglik kan samewerkende robotte veilig met mense saamwerk om take te voltooi sonder om tradisionele veiligheidsversperrings te benodig.
Samewerkende robotte is betrokke by direkte mens-kontak-bedrywighede; daarom is veiligheid 'n onontbeerlike vereiste in mens-robot-samewerking. Dit is noodsaaklik om operasionele krag en rotasiewringkrag streng te beheer terwyl tegniese maatreëls soos stroombeheer, wringkragbeheer, kontaksensors en botsingsopsporing toegepas word om beserings aan personeel te voorkom. Die intelligente aandrywingsbeheerstelsels van robotte vereis ook verdere optimalisering vir veiligheidsbestuur, wat aanpasbare gladde beheer deur dinamiese berekeninge en waarnemer-gebaseerde modellering moontlik maak.
In 'n onlangse studie het die Internasionale Federasie van Robotika (IFR) uitgelig dat toekomstige robotontwikkeling hoofsaaklik tendense sal toon teenoor eenvoud, gebruiksgemak, buigsaamheid en veilige samewerking. Industriële robotte sal progressief hoër vlakke van outomatisering en intelligensie bereik; hul gebruikersvriendelike ontwerp sal operasionele hindernisse verlaag, wat meer ondernemings in staat stel om robotikategnologie moeiteloos te benut om produksiedoeltreffendheid te verbeter. Intussen sal ontwerpe met buigsaamheid en veilige samewerkingsvermoëns robotte in staat stel om beter aan te pas by diverse en komplekse produksieomgewings, wat mens-robot-samewerking vergemaklik en die intelligente en doeltreffende ontwikkeling van industriële produksie verder bevorder.
Figuur 2: Werkarea van die samewerkende robot
1.2 Navorsingsbetekenis
In die huidige samewerkende robotika-mark word sewe-vryheidsgrade-robotte verkies vir hul uitgebreide operasionele reikwydte en buigsaamheid. Hierdie robotte bied oorbodige vryheidsgrade, wat groter potensiaal bied vir industriële outomatisering en slim vervaardiging. Elke vryheidsgraad word bereik deur 'n robotgewrig, wat dien as 'n kritieke faktor in die bepaling van robotiese prestasie. Die vier groot vervaardigers - FANUC, ABB, Yaskawa en KUKA - gebruik elk afsonderlike transmissiestelsels in hul tradisionele industriële robotarms; hulle gebruik egter hoofsaaklik servomotors gekoppel aan keëlratte, tandratte of sinchrone bande om krag na die gewrigte oor te dra vir rotasie. Hierdie transmissiemetodes beperk die grootte van robotgewrigte. Terwyl die bereiking van hoë presisie moontlik is, bly miniaturisering uitdagend. Soos getoon in Figuur 3, benodig tradisionele industriële robotte eksterne beheerkaste wat motorservo-aandrywers huisves, met talle drade wat elke motor aan die kabinet verbind, wat die buigsame ontplooiing van beheerstelsels beperk.
Figuur 3 Tradisionele industriële robot en beheerkabinet
Aangesien die tradisionele gewrigskonfigurasies van industriële robotarms nie meer aan die vereistes van samewerkende robotte kan voldoen nie, het hierdie gewrigte konvensionele transmissiemeganismes laat vaar ten gunste van 'n nuwe ontwerpfilosofie. Hierdie benadering fokus op die bereiking van liggewig, laespanning en hoogs geïntegreerde stelsels deur die beheerder, servodrywer en motor binne die gewrig self te integreer, met onderliggende elektriese verbindings wat ook intern geïmplementeer word. Slegs 'n minimale aantal beheerkoppelvlakke word ekstern blootgestel, wat eksterne bedrading vereenvoudig en ingenieurskompleksiteit verminder. So 'n ontwerp word 'n geïntegreerde gewrig genoem.
Gegewe die huidige ontwikkelingsbehoeftes en tendense in samewerkende robotgewrigte, is die ontwerp van 'n liggewig, laespanning, hoogs geïntegreerde en hoëprestasie-geïntegreerde samewerkende robotgewrig veral belangrik. So 'n geïntegreerde gewrig bevat alle noodsaaklike komponente wat benodig word vir gewrigsbeweging – insluitend aktuators, beheerders, drywers en sensors – en kan onafhanklik as 'n alleenstaande module funksioneer. Wanneer dit aan die hoofbeheerder of ander modules gekoppel word via eenvoudige krag- en beheerbusse, verbeter hierdie hoogs samehangende maar lae-koppel-ontwerp die skaalbaarheid van samewerkende robotte aansienlik. Deur hierdie geïntegreerde modulêre gewrig te gebruik en dit te koppel met toepaslik grootte robotarms en eindeffektore, kan samewerkende robotte wat op verskeie vereistes afgestem is, maklik saamgestel word.
Figuur 4 Skematiese diagram van die modulêre verbinding
Navorsing oor geïntegreerde gewrigte vir samewerkende robotte en hul servobeheerstelsels is van beduidende belang vir die bevordering van samewerkende robotika. Die kerntegnologieë van hierdie geïntegreerde gewrigte bestaan uit twee sleutelkomponente: harmoniese redukseerders en gewrigsmotor-aandrywingsbeheerstelsels, tesame met hul ooreenstemmende beheeralgoritmes. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. fokus sy navorsing op gewrigsmotor-aandrywingsbeheerstelsels vir samewerkende robotte en doen diepgaande studies oor gewrigsmotor-aandrywings- en beheermeganismes. Die maatskappy ontwikkel 'n reeks hoogs intelligente geïntegreerde robotgewrigsmotorprodukte wat meer buigsame en betroubare beheervermoëns vir samewerkende robotgewrigte moontlik maak, terwyl kritieke kenmerke soos selfpersepsie, intelligente besluitneming, behendige uitvoering en presiese beheer ingesluit word - en sodoende aan die eise van slim toerustingontwikkeling voldoen.
2 Huidige Navorsingsstatus Plaaslik en Internasionaal
In 1956 het die Amerikaanse fisikus Joe Engelberger en uitvinder George Devol 'n robotikamaatskappy genaamd Unimation gestig, wat die wêreld se eerste industriële robot - die Unimate - in 1959 suksesvol ontwikkel het.
General Motors het in 1961 vir die eerste keer robotte in industriële produksie by sy New Jersey-fasiliteit ontplooi. In 1969 het Japan robotte van Unimation bekendgestel, en later sy tegnologie aan Kawasaki Heavy Industries en die VK-gebaseerde KUKAI Corporation gelisensieer vir robotvervaardigingsbedrywighede in onderskeidelik Japan en die VK. Met die vooruitgang van Japan se motorbedryf het 'n toenemende aantal robotte menslike arbeid in produksie vervang, wat hul praktiese waarde ten volle demonstreer. Gevolglik het Japan toenemende klem gelê op die ontwikkeling van industriële robotika. Beginnende met Kawasaki Heavy Industries as die pionier in die aanvaarding van robottegnologie, gevolg deur die opkoms van wêreldbekende robotikamaatskappye soos FANUC en Yaskawa, het Japan een van die nasies geword wat wêreldwyd die nuutste robottegnologieë bemeester.
In 1973 het die Duitse maatskappy KUKA die Unimate-robot gewysig om die eerste ses-vryheidsgrade-robot, die Famulus, te skep, aangedryf deur 'n elektriese motor. In 1974 het ASEA (die voorganger van ABB), 'n Sweedse algemene elektriese maatskappy, die wêreld se eerste volledig elektriese robot, die IRB 6, ontwikkel, beheer deur 'n mikroverwerker, wat robotintelligensie aansienlik verbeter het. In 1978 het die Amerikaanse Unimation-maatskappy sy PUMA-industriële robot wyd ontplooi op General Motors se monteerlyne, wat die praktiese bruikbaarheid en waarde van industriële robotte verder gedemonstreer het en die volle volwassenheid van industriële robotika-tegnologie aangedui het, en sodoende 'n stewige fondament gelê het vir daaropvolgende tegnologiese vooruitgang.
Oor die meer as vier dekades van industriële robotika-ontwikkeling was tegnologiese vooruitgang voortdurend. As gevolg van veiligheidsoorwegings word robotte egter tipies by spesifieke werkstasies vasgemaak en deur relings geïsoleer, wat verhoed dat hulle langs mense in dieselfde ruimte kan werk. Hierdie tradisionele konfigurasie beperk mens-robot-samewerking, wat dit moeilik maak om werklik doeltreffende samewerkende bedrywighede te bereik. Ten spyte van talle pogings en ondersoeke, bly die bereiking van veilige mens-robot-samewerking 'n groot uitdaging op die gebied van industriële robotika.
Dit was eers in 2005 dat 'n groot EU-befondsde projek die konsep van samewerkende robotte bekendgestel het. Die inisiatief het toonaangewende industriële robotika-maatskappye soos ABB, KUKA, Reis, Comau en Gudel bymekaar gebring om gesamentlik 'n bekostigbare, kompakte en buigsame robot te ontwikkel wat spesifiek ontwerp is vir klein en mediumgrootte ondernemings, met die doel om die afhanklikheid van arbeidsuitkontraktering te verminder. Hierdie projek het die potensiaal van mens-robot-samewerking eksplisiet uitgelig en 'n stewige fondament gelê vir die konsep van samewerkende robotte.
Vroeë samewerkende robotte was hoofsaaklik wysigings en toepassings van tradisionele industriële robotte, sonder om hul ontwerpfilosofie of operasionele modusse fundamenteel te verander. Sedert sy stigting in 2005 is Universal Robots toegewy aan die ontwikkeling van samewerkende robotte wat veilig saam met menslike werkers kan werk. In 2009 het die maatskappy die UR5 bekendgestel – die wêreld se eerste samewerkende robot – wat die aanbreek van hierdie era aandui. Daarna het Rethink die dubbelarmige Baxter en die nuwe enkelarmige Sawyer-robot bekendgestel, wat samewerkende robotika geleidelik as 'n erkende en aanvaarde dissipline binne industriële robotika gevestig het. Hierdie vooruitgang het nuwe insigte en rigtings vir toekomstige industriële outomatisering en intelligente ontwikkeling verskaf.
Figuur 5: UR5-robot en Sawyer Baxter-robot
Siasun Robot Company, geaffilieer met die Shenyang Instituut vir Outomasie van die Chinese Akademie vir Wetenskappe, het in November 2015 vir die eerste keer 'n sewe-as buigsame samewerkende robot wat China se gevorderde tegnologiese vlak verteenwoordig, by die Industriële Ekspo vertoon. Sedertdien het talle binnelandse samewerkende robotmodelle soos Luoshi en Aobo geleidelik erkenning verwerf.
Wat robotgewrigte betref, lê die primêre onderskeid tussen samewerkende robotgewrigte en dié van tradisionele swaar industriële robotte in hul "buigsaamheid". Hierdie buigsaamheid word gemanifesteer deur laer meganiese styfheid, verminderde traagheid en die vermoë om wringkrag te waarneem. Tans spruit die gewrigsbuigsaamheid wat in samewerkende robotarms gebruik word, hoofsaaklik uit presiese posisiebeheer en wringkragbeheer.
Figuur 6 Tipiese struktuur van die geïntegreerde verbinding in samewerkende robotte
'n Oorsig van huidige navorsing toon dat China se robotika-ontwikkeling later begin het as dié van lande soos die Verenigde State en Japan. Navorsing oor samewerkende robotte is steeds aansienlik agter bestaande internasionale produkte, met belangrike knelpunte in harmoniese redukseerders en gesamentlike motoraandrywingsbeheerstelsels. Binnelandse samewerkende robotte het tans aansienlike ruimte vir verbetering in gesamentlike beheervermoëns, veral in terme van beheerpresisie en intelligente beheer. Verder dui globale robotika-navorsingstendense daarop dat veiligheid, buigsaamheid en intelligensie dominante eienskappe van tegnologiese vooruitgang is. Robotgewrigte ontwikkel na hoogs geïntegreerde aandrywingsbeheerstelsels en groter intelligensie. Alhoewel samewerkende robotgewrigte oorgeskakel het van tradisionele gesentraliseerde beheer na verspreide aandrywingsbeheerargitekture, voer hulle tans slegs motorgedrewe aksies uit, en het hulle nie vermoëns in outonome persepsie, intelligente besluitneming en behendige uitvoering nie – wat lei tot relatief lae vlakke van intelligensie. Daar bly beduidende potensiaal vir die uitbreiding van die vraag na intelligente robotikastelsels.
Plasingstyd: 22 Mei 2026
