Истражување за интегрирана контрола на зглобниот мотор кај колаборативните роботи

1.1 Истражувачка позадина

Со брзиот развој на науката и технологијата,интелигентни способностипродолжуваат да се подобруваат, правејќи го паметното производство преовладувачки тренд во индустрискиот развој. На пример, податоците објавени од Министерството за информатичка индустрија на Кина покажуваат дека домашното паметно производство постигнало извонреден раст од 11,6% во 2023 година - доказ за одржливите напори и технолошките иновации на нацијата во оваа област. Понатаму, бројот на иновации меѓу претпријатијата за паметно производство значително се зголеми, опфаќајќи сектори како што се производство на опрема од висока класа, напредни материјали и еколошки технологии, што ја одразува виталноста и длабоката трансформација на индустријата. Овој тренд не само што ги револуционизираше традиционалните методи на производство во производството, туку и го забрза индустриското надградување, подобрувајќи ја и ефикасноста и квалитетот. Сè повеќе, автоматизираните производствени линии и индустриските роботи ја заменуваат човечката работна сила.

Со напредокот наерата на интелигентно производство, високо автоматизираните и интелигентни технолошки карактеристики на индустриските роботи совршено се усогласуваат со растечките барања на производствената индустрија за висока прецизност, леснотија на работење и флексибилност во производствените процеси. Ова го зголеми нивното значење во производството, правејќи ги клучна сила што ја движи индустриската трансформација и надградба. Колаборативните роботи - индустриски уреди способни да постигнат соработка и машина со машина и човек-робот - се појавија како клучен фокус во истражувањето на роботиката поради нивното автономно однесување и колаборативни способности, позиционирајќи ги да играат доминантна улога во идната индустриска роботика. Во технологијата на колаборативни роботи, метриките за перформанси на серво моторите - вклучувајќи ја брзината на одговор на вртежниот момент, точноста на вртежниот момент, прецизноста на позиционирањето, потрошувачката на енергија и стабилноста на температурата - директно ја одредуваат ефикасноста, стабилноста и точноста на движењето на роботот. Како јадро на моќност на роботите, перформансите на серво системите критично влијаат врз прецизноста и сигурноста на движењето. Имено, серво моторите со зглобен механизам играат клучна улога во постигнувањето точност на позиционирање. Одличен серво мотор со зглобен механизам обезбедува прецизно позиционирање и стабилно движење за време на сложени задачи, со што се подобрува оперативната ефикасност и се минимизираат грешките.

„14-тиот петгодишен план за развој на роботската индустрија“ нагласува унапредување на истражувањето за интелигентни интегрирани роботски зглобови, при што таквите зглобови се особено погодни за колаборативни роботи. Нивниот високо интегриран концепт на дизајн вклучува основни актуатори, сензори и драјвери директно во самиот зглоб, претворајќи го секој зглоб во самостојна контролна единица. Со оптимизирање на внатрешната структура и распоред, дистрибуираната контролна архитектура значително го намалува бројот на кабли помеѓу различните системски нивоа, со што се намалуваат трошоците за одржување и се зголемува целокупната сигурност. Модуларниот дизајн, исто така, овозможува полесна замена и одржување на зглобовите, значително зголемувајќи ја пазарната конкурентност на колаборативните роботи.

Наконцепт на колаборативни роботипрвпат беше воведен во 1996 година, а неговата филозофија на дизајн ја револуционизираше традиционалната роботика овозможувајќи координирани операции помеѓу роботите и луѓето на производствените линии. Овој колаборативен пристап не само што ја искористува ефикасноста и прецизноста на роботите, туку ја интегрира и човечката интелигенција и флексибилност, подобрувајќи ја оперативната ефикасност и флуидност. Во споредба со конвенционалните индустриски роботи, колаборативните роботи покажуваат различни карактеристики, етаблирајќи се како значајна подкатегорија во областа на роботиката. И нивните физички структури и контролни системи претрпеа значителни модификации. Традиционалните индустриски роботи - како што се конфигурациите на роботските раце прикажани на Слика 1 - првенствено се користат во палетизирање, ракување со материјали, заварување и ласерско сечење. Иако овие роботи се одликуваат со висока цврстина, структурна стабилност и силен капацитет на носивост, тие исто така претставуваат ограничувања: релативно голема големина и маса, значителна инерција на движење, гломазни дизајни со слаба флексибилност и неможност за извршување на високо агилни задачи за склопување. Дополнително, нивниот значителен инерцијален моментум и движењата со голема брзина претставуваат значителни безбедносни ризици за персоналот во нивниот оперативен радиус, што налага работа во затворени, затворени простори.

Слика 1 Традиционални индустриски роботски раце и колаборативни роботи

Соработничките роботи овозможуваат истовремено работење со луѓе во заеднички простори и олеснуваат интеракција на блиска далечина во рамките на зоните за соработка. Во споредба со традиционалните роботски раце, соработничките роботи обично носат максимално оптоварување од 20 кг на нивниот краен ефектор, со оперативен опсег споредлив со оној на дофатот на човечката рака. Нивната структура е поедноставна од онаа на конвенционалните индустриски роботски раце со сложени механизми за пренос, а воедно нудат чувствителни повратни информации за силата, лесна флексибилност и робусни можности за перцепција. Овие карактеристики им овозможуваат динамички да ја прилагодуваат силата за време на човечките интеракции, ефикасно спречувајќи насилна штета. Следствено, соработничките роботи можат безбедно да соработуваат со луѓе за да ги завршат задачите без да бараат традиционални безбедносни бариери.

Соработничките роботи учествуваат во операции со директен контакт со луѓе; затоа, безбедноста е неопходен услов во соработката човек-робот. Од суштинско значење е строго да се контролира оперативната моќност и ротациониот вртежен момент, притоа да се користат технички мерки како што се контрола на струјата, контрола на вртежниот момент, сензори за контакт и детекција на судири за да се спречат повреди на персоналот. Интелигентните системи за контрола на погонот на роботите, исто така, бараат дополнителна оптимизација за управување со безбедноста, овозможувајќи адаптивна непречена контрола преку динамички пресметки и моделирање базирано на набљудувачи.

Во неодамнешна студија, Меѓународната федерација за роботика (IFR) истакна дека идниот развој на роботите првенствено ќе покаже трендови кон едноставност, леснотија на користење, флексибилност и безбедна соработка. Индустриските роботи прогресивно ќе постигнуваат повисоки нивоа на автоматизација и интелигенција; нивниот лесен за користење дизајн ќе ги намали оперативните бариери, овозможувајќи им на повеќе претпријатија без напор да ја користат роботичката технологија за да ја зголемат ефикасноста на производството. Во меѓувреме, дизајните со флексибилност и можности за безбедна соработка ќе им овозможат на роботите подобро да се прилагодат на разновидните и сложени производствени средини, олеснувајќи ја соработката човек-робот и дополнително унапредувајќи го интелигентниот и ефикасен развој на индустриското производство.

Слика 2: Работна површина на колаборативниот робот

1.2 Значење на истражувањето

На тековниот пазар на колаборативна роботика, роботите со седум степени на слобода се претпочитаат поради нивниот широк оперативен опсег и флексибилност. Овие роботи обезбедуваат редундантни степени на слобода, нудејќи поголем потенцијал за индустриска автоматизација и паметно производство. Секој степен на слобода се постигнува преку роботски зглоб, кој служи како клучен фактор во одредувањето на роботските перформанси. Четирите главни производители - FANUC, ABB, Yaskawa и KUKA - секој од нив користи различни системи за пренос во своите традиционални индустриски роботски раце; сепак, тие во суштина користат серво мотори спарени со конусни запчаници, запчаници или синхрони ремени за да ја пренесат моќноста до зглобовите за ротација. Овие методи на пренос ја ограничуваат големината на роботските зглобови. Иако постигнувањето висока прецизност е можно, минијатуризацијата останува предизвик. Како што е прикажано на Слика 3, традиционалните индустриски роботи бараат надворешни контролни кабинети кои содржат серво погони на мотори, со бројни жици што го поврзуваат секој мотор со кабинетот, со што се ограничува флексибилното распоредување на контролните системи.

Слика 3 Традиционален индустриски робот и контролен кабинет

Со оглед на тоа што традиционалните конфигурации на зглобовите на индустриските роботски раце повеќе не можат да ги задоволат барањата на колаборативните роботи, овие зглобови ги напуштија конвенционалните механизми за пренос во корист на нова филозофија на дизајн. Овој пристап се фокусира на постигнување лесни, нисконапонски и високо интегрирани системи со интегрирање на контролерот, серво драјверот и моторот во самиот зглоб, со основни електрични врски имплементирани и внатрешно. Само минимален број на контролни интерфејси се изложени однадвор, поедноставувајќи ги надворешните ожичувања и намалувајќи ја инженерската сложеност. Таквиот дизајн се нарекува интегриран зглоб.

Со оглед на моменталните потреби за развој и трендови во колаборативните роботски зглобови, дизајнирањето на лесен, нисконапонски, високо интегриран и високо-перформансен интегриран колаборативен роботски зглоб е особено клучно. Таквиот интегриран зглоб ги вклучува сите основни компоненти потребни за движење на зглобот - вклучувајќи актуатори, контролери, драјвери и сензори - и може да функционира независно како самостоен модул. Кога е поврзан со главниот контролер или други модули преку едноставни напојувачки и контролни магистрали, овој високо кохезивен, но сепак ниско-споен дизајн значително ја подобрува скалабилноста на колаборативните роботи. Со користење на овој интегриран модуларен зглоб и спарување со роботски раце и крајни ефектори со соодветна големина, колаборативните роботи прилагодени на различни барања можат лесно да се склопат.

Слика 4 Шематски дијаграм на модуларниот спој

Истражувањето на интегрираните зглобови за колаборативни роботи и нивните системи за серво контрола е од огромно значење за напредокот на колаборативната роботика. Основните технологии на овие интегрирани зглобови се состојат од две клучни компоненти: хармониски редуктори и системи за контрола на погонот на зглобниот мотор, заедно со нивните соодветни контролни алгоритми. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. го фокусира своето истражување на системите за контрола на погонот на зглобниот мотор за колаборативни роботи, спроведувајќи длабински студии за погонот на зглобниот мотор и механизмите за контрола. Компанијата развива серија високо интелигентни производи за интегрирани роботски зглобни мотори кои овозможуваат пофлексибилни и посигурни контролни можности за колаборативни роботски зглобови, а воедно вклучуваат и критични карактеристики како што се самоперцепција, интелигентно донесување одлуки, вешто извршување и прецизна контрола - со што се задоволуваат барањата за развој на паметна опрема.

2 Тековен истражувачки статус на домашно и меѓународно ниво

Во 1956 година, американскиот физичар Џо Енгелбергер и пронаоѓачот Џорџ Девол ја основале компанијата за роботика наречена „Унимејшн“, која успешно го развила првиот индустриски робот во светот - „Унимејт“ - во 1959 година.

„Џенерал моторс“ првпат распореди роботи во индустриско производство во својот погон во Њу Џерси во 1961 година. Во 1969 година, Јапонија воведе роботи од „Унимејшн“, а подоцна ја лиценцираше својата технологија на „Кавасаки хеви индустрис“ и на британската корпорација „КУКАИ“ за операции за производство на роботи во Јапонија и Велика Британија, соодветно. Со напредокот на јапонската автомобилска индустрија, сè поголем број роботи ја заменија човечката работна сила во производството, целосно демонстрирајќи ја нивната практична вредност. Следствено, Јапонија стави сè поголем акцент на развојот на индустриската роботика. Почнувајќи со „Кавасаки хеви индустрис“ како пионер во усвојувањето на роботската технологија, проследено со појавата на светски познати компании за роботика како што се „ФАНУК“ и „Јаскава“, Јапонија стана една од нациите што ги совладаат најсовремените роботски технологии на глобално ниво.

Во 1973 година, германската компанија KUKA го модифицира роботот Unimate за да го создаде првиот робот со шест степени на слобода, Famulus, напојуван од електричен мотор. Во 1974 година, ASEA (претходник на ABB), шведска компанија за општа електрична енергија, го разви првиот целосно електричен робот во светот, IRB 6, контролиран од микропроцесор, значително подобрувајќи ја роботската интелигенција. Во 1978 година, американската компанија Unimation широко го распореди својот индустриски робот PUMA на производствените ленти на General Motors, дополнително демонстрирајќи ја практичноста и вредноста на индустриските роботи и означувајќи ја целосната зрелост на технологијата за индустриска роботика, со што постави солидна основа за последователните технолошки достигнувања.

Во текот на повеќе од четири децении развој на индустриската роботика, технолошкиот напредок е континуиран. Сепак, поради безбедносни причини, роботите обично се фиксираат на специфични работни станици и се изолирани со заштитни огради, што им оневозможува да работат рамо до рамо со луѓето во истиот простор. Оваа традиционална конфигурација ја ограничува соработката човек-робот, што го отежнува постигнувањето на вистински ефикасни кооперативни операции. И покрај бројните обиди и истражувања, постигнувањето безбедна соработка човек-робот останува голем предизвик во областа на индустриската роботика.

Дури во 2005 година, еден голем проект финансиран од ЕУ го воведе концептот на колаборативни роботи. Иницијативата ги здружи водечките компании за индустриска роботика како што се ABB, KUKA, Reis, Comau и Gudel за заеднички да развијат прифатлив, компактен и флексибилен робот, специјално дизајниран за мали и средни претпријатија, со цел да се намали зависноста од аутсорсинг на работна сила. Овој проект експлицитно го истакна потенцијалот на соработката меѓу човекот и роботот, поставувајќи солидна основа за концептот на колаборативни роботи.

Раните колаборативни роботи беа првенствено модификации и примени на традиционалните индустриски роботи, без фундаментално менување на нивната филозофија на дизајнирање или оперативните режими. Од своето основање во 2005 година, Universal Robots е посветена на развој на колаборативни роботи способни безбедно да работат заедно со човечки работници. Во 2009 година, компанијата го лансираше UR5 - првиот колаборативен робот во светот - означувајќи ја зората на оваа ера. Потоа, Rethink го претстави двокракиот Baxter и новиот робот Sawyer со една рака, постепено воспоставувајќи ја колаборативната роботика како призната и прифатена дисциплина во рамките на индустриската роботика. Овој напредок обезбеди нови сознанија и насоки за идната индустриска автоматизација и интелигентниот развој.

Слика 5: Робот UR5 и робот Сојер Бакстер

Компанијата за роботи „Сиасун“, поврзана со Институтот за автоматизација Шенјанг при Кинеската академија на науките, првпат претстави седумосен флексибилен колаборативен робот што го претставува напредното технолошко ниво на Кина на Индустрискиот саем во ноември 2015 година. Оттогаш, бројни домашни модели на колаборативни роботи како што се „Луоши“ и „Аобо“ постепено добиваат признание.

Во однос на роботските зглобови, примарната разлика помеѓу колаборативните роботски зглобови и оние на традиционалните тешки индустриски роботи лежи во нивната „флексибилност“. Оваа флексибилност се манифестира преку помала механичка цврстина, намалена инерција и способност за чувство на вртежен момент. Во моментов, флексибилноста на зглобовите што се користи во колаборативните роботски раце првенствено произлегува од прецизна контрола на положбата и контрола на вртежниот момент.

Слика 6 Типична структура на интегрираниот зглоб кај колаборативните роботи

Преглед на тековните истражувања открива дека развојот на роботиката во Кина започнал подоцна од развојот на земји како САД и Јапонија. Истражувањето на колаборативните роботи сè уште значително заостанува зад постојните меѓународни производи, а клучните тесни грла лежат во хармоничните редуктори и системите за контрола на погонот на зглобниот мотор. Домашните колаборативни роботи во моментов имаат значителен простор за подобрување на можностите за контрола на зглобот, особено во однос на прецизноста на контролата и интелигентната контрола. Понатаму, глобалните трендови во истражувањето на роботиката покажуваат дека безбедноста, флексибилноста и интелигенцијата се доминантни карактеристики на технолошкиот напредок. Роботските зглобови се развиваат кон високо интегрирани системи за контрола на погонот и поголема интелигенција. Иако колаборативните роботски зглобови преминаа од традиционална централизирана контрола кон дистрибуирани архитектури за контрола на погонот, тие во моментов извршуваат само дејства управувани од мотор, без способности за автономна перцепција, интелигентно донесување одлуки и вешто извршување - што резултира со релативно ниски нивоа на интелигенција. Сè уште постои значителен потенцијал за проширување на побарувачката за интелигентни роботски системи.