1.1 Forskningsbaggrund
Med den hurtige udvikling inden for videnskab og teknologi,intelligente funktionerfortsætte med at forbedre sig, hvilket gør smart produktion til en fremherskende tendens inden for industriel udvikling. For eksempel viser data offentliggjort af Kinas ministerium for informationsindustri, at indenlandsk smart produktion opnåede en bemærkelsesværdig vækst på 11,6 % i 2023 – et bevis på nationens vedvarende indsats og teknologiske innovation på dette område. Desuden er antallet af innovationer blandt smarte produktionsvirksomheder steget markant og spænder over sektorer som fremstilling af avanceret udstyr, avancerede materialer og miljøteknologier, hvilket afspejler industriens vitalitet og dybtgående transformation. Denne tendens har ikke kun revolutioneret traditionelle produktionsmetoder, men også accelereret industriel opgradering og forbedret både effektivitet og kvalitet. Automatiserede produktionslinjer og industrirobotter erstatter i stigende grad menneskelig arbejdskraft.
Med fremskridtet afintelligent produktionsæra, de højt automatiserede og intelligente teknologiske funktioner ved industrirobotter stemmer perfekt overens med fremstillingsindustriens voksende krav til høj præcision, brugervenlighed og fleksibilitet i produktionsprocesser. Dette har øget deres betydning inden for fremstilling, hvilket gør dem til en central kraft, der driver industriel transformation og opgradering. Kollaborative robotter - industrielle enheder, der er i stand til at opnå både maskine-til-maskine-samarbejde og menneske-robot-samarbejde - er blevet et centralt fokuspunkt inden for robotforskning på grund af deres autonome adfærd og samarbejdsevner, hvilket positionerer dem til at spille en dominerende rolle i fremtidens industrielle robotteknologi. Inden for kollaborativ robotteknologi bestemmer servomotorernes ydeevne - herunder momentresponshastighed, momentnøjagtighed, positioneringspræcision, strømforbrug og temperaturstabilitet - direkte en robots bevægelseseffektivitet, stabilitet og nøjagtighed. Som robotters kraftkerne har servosystemernes ydeevne afgørende indflydelse på bevægelsespræcisionen og pålideligheden. Især spiller fælles servomotorer en central rolle i at opnå positioneringsnøjagtighed. En fremragende fælles servomotor sikrer præcis positionering og stabil bevægelse under komplekse opgaver, hvilket forbedrer driftseffektiviteten og minimerer fejl.
Den "14. femårsplan for robotindustriens udvikling" understreger fremskridt i forskningen inden for intelligente integrerede robotled, hvor sådanne led er særligt velegnede til kollaborative robotter. Deres stærkt integrerede designkoncept inkorporerer underliggende aktuatorer, sensorer og drivere direkte i selve leddet, hvilket forvandler hvert led til en selvstændig styreenhed. Ved at optimere den interne struktur og layout reducerer den distribuerede styrearkitektur antallet af kabler mellem forskellige systemniveauer betydeligt, hvilket sænker vedligeholdelsesomkostningerne og forbedrer den samlede pålidelighed. Det modulære design letter også udskiftning og vedligeholdelse af led, hvilket øger kollaborative robotters konkurrenceevne betydeligt.
Dekonceptet med kollaborative robotterblev først introduceret i 1996, og dens designfilosofi revolutionerede traditionel robotteknologi ved at muliggøre koordinerede operationer mellem robotter og mennesker på produktionslinjer. Denne samarbejdsbaserede tilgang udnytter ikke kun robotternes effektivitet og præcision, men integrerer også menneskelig intelligens og fleksibilitet, hvilket forbedrer operationel effektivitet og flydende egenskaber. Sammenlignet med konventionelle industrirobotter udviser kollaborative robotter forskellige egenskaber og etablerer sig som en betydelig underkategori inden for robotområdet. Både deres fysiske strukturer og styresystemer har gennemgået betydelige ændringer. Traditionelle industrirobotter - såsom robotarmkonfigurationerne vist i figur 1 - anvendes primært til palletering, materialehåndtering, svejsning og laserskæring. Selvom disse robotter har høj stivhed, strukturel stabilitet og stærk bæreevne, har de også begrænsninger: relativt stor størrelse og masse, betydelig bevægelsesinerti, klodsede designs med dårlig fleksibilitet og manglende evne til at udføre meget agile monteringsopgaver. Derudover udgør deres betydelige inertielle momentum og højhastighedsbevægelser betydelige sikkerhedsrisici for personale inden for deres operationelle radius, hvilket nødvendiggør drift inden for lukkede, lukkede områder.
Figur 1 Traditionelle industrielle robotarme og kollaborative robotter
Samarbejdsrobotter muliggør samtidig drift med mennesker i delte rum og letter interaktion på tæt hold inden for samarbejdszoner. Sammenlignet med traditionelle robotarme bærer samarbejdsrobotter typisk en maksimal belastning på 20 kg ved deres endeeffektor, med en operationel rækkevidde, der kan sammenlignes med en menneskelig arms rækkevidde. Deres struktur er enklere end konventionelle industrielle robotarme med komplekse transmissionsmekanismer, samtidig med at de tilbyder følsom kraftfeedback, letvægtsfleksibilitet og robuste opfattelsesevner. Disse funktioner giver dem mulighed for dynamisk at justere kraften under menneskelig interaktion og effektivt forhindre voldsom skade. Derfor kan samarbejdsrobotter sikkert samarbejde med mennesker for at udføre opgaver uden at kræve traditionelle sikkerhedsbarrierer.
Samarbejdsrobotter udfører operationer i direkte menneskekontakt; derfor er sikkerhed et uundværligt krav i samarbejde mellem menneske og robot. Det er vigtigt at kontrollere driftskraft og rotationsmoment strengt, samtidig med at der anvendes tekniske foranstaltninger som strømstyring, momentstyring, kontaktsensorer og kollisionsdetektion for at forhindre personskader. Robotternes intelligente drevstyringssystemer kræver også yderligere optimering af sikkerhedsstyringen, hvilket muliggør adaptiv, jævn styring gennem dynamiske beregninger og observatørbaseret modellering.
I en nylig undersøgelse fremhævede International Federation of Robotics (IFR), at fremtidig robotudvikling primært vil udvise tendenser mod enkelhed, brugervenlighed, fleksibilitet og sikkert samarbejde. Industrirobotter vil gradvist opnå højere niveauer af automatisering og intelligens; deres brugervenlige design vil sænke operationelle barrierer, hvilket gør det muligt for flere virksomheder ubesværet at udnytte robotteknologi til at forbedre produktionseffektiviteten. Samtidig vil design med fleksibilitet og sikre samarbejdsfunktioner gøre det muligt for robotter bedre at tilpasse sig forskellige og komplekse produktionsmiljøer, hvilket letter samarbejdet mellem menneske og robot og yderligere fremmer den intelligente og effektive udvikling af industriel produktion.
Figur 2: Arbejdsområde for den kollaborative robot
1.2 Forskningsmæssig betydning
I det nuværende marked for kollaborative robotter foretrækkes syv-frihedsgradersrobotter på grund af deres omfattende operationelle rækkevidde og fleksibilitet. Disse robotter giver redundante frihedsgrader, hvilket giver et større potentiale for industriel automatisering og smart produktion. Hver frihedsgrad opnås gennem et robotled, der fungerer som en kritisk faktor for at bestemme robottens ydeevne. De fire store producenter - FANUC, ABB, Yaskawa og KUKA - anvender hver især forskellige transmissionssystemer i deres traditionelle industrielle robotarme; de bruger dog i bund og grund servomotorer parret med koniske tandhjul, cylindriske tandhjul eller synkrone remme til at overføre kraft til leddene til rotation. Disse transmissionsmetoder begrænser størrelsen af robotleddene. Selvom det er muligt at opnå høj præcision, er miniaturisering fortsat en udfordring. Som vist i figur 3 kræver traditionelle industrirobotter eksterne styreskabe, der huser motorservodrev, med adskillige ledninger, der forbinder hver motor til kabinettet, hvilket begrænser den fleksible implementering af styresystemer.
Figur 3 Traditionel industrirobot og styreskab
Da de traditionelle ledkonfigurationer i industrielle robotarme ikke længere kan opfylde kravene til kollaborative robotter, har disse led forladt konventionelle transmissionsmekanismer til fordel for en ny designfilosofi. Denne tilgang fokuserer på at opnå lette, lavspændings og stærkt integrerede systemer ved at integrere controlleren, servodriveren og motoren i selve leddet, med underliggende elektriske forbindelser også implementeret internt. Kun et minimalt antal styregrænseflader er eksponeret eksternt, hvilket forenkler ekstern ledningsføring og reducerer den tekniske kompleksitet. Et sådant design kaldes et integreret led.
I betragtning af de nuværende udviklingsbehov og tendenser inden for kollaborative robotled er det særligt vigtigt at designe et let, lavspændings, stærkt integreret og højtydende integreret kollaborativt robotled. Et sådant integreret led inkorporerer alle væsentlige komponenter, der kræves til ledbevægelse - herunder aktuatorer, controllere, drivere og sensorer - og kan fungere uafhængigt som et selvstændigt modul. Når det er tilsluttet hovedcontrolleren eller andre moduler via simple strøm- og styrebusser, forbedrer dette meget sammenhængende, men lavkoblende design skalerbarheden af kollaborative robotter betydeligt. Ved at udnytte dette integrerede modulære led og parre det med robotarme og effektorer i passende størrelse kan kollaborative robotter, der er skræddersyet til forskellige krav, nemt samles.
Figur 4 Skematisk diagram over den modulære samling
Forskning i integrerede led til kollaborative robotter og deres servostyringssystemer har stor betydning for udviklingen af kollaborativ robotteknologi. Kerneteknologierne i disse integrerede led består af to nøglekomponenter: harmoniske reduktionskoblinger og ledmotordrev-styringssystemer sammen med deres tilsvarende styrealgoritmer. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. fokuserer sin forskning på ledmotordrev-styringssystemer til kollaborative robotter og udfører dybdegående undersøgelser af ledmotordrev- og styremekanismer. Virksomheden udvikler en serie af yderst intelligente integrerede robotledmotorprodukter, der muliggør mere fleksible og pålidelige styrefunktioner til kollaborative robotled, samtidig med at de inkorporerer kritiske funktioner som selvopfattelse, intelligent beslutningstagning, behændig udførelse og præcis kontrol - og dermed opfylder kravene til udvikling af intelligent udstyr.
2 Aktuel forskningsstatus nationalt og internationalt
I 1956 grundlagde den amerikanske fysiker Joe Engelberger og opfinderen George Devol et robotfirma ved navn Unimation, som med succes udviklede verdens første industrirobot - Unimate - i 1959.
General Motors anvendte første gang robotter i industriel produktion på sit anlæg i New Jersey i 1961. I 1969 introducerede Japan robotter fra Unimation og licenserede senere sin teknologi til Kawasaki Heavy Industries og det britiske KUKAI Corporation til robotproduktion i henholdsvis Japan og Storbritannien. Med fremskridtet i Japans bilindustri har et stigende antal robotter erstattet menneskelig arbejdskraft i produktionen, hvilket fuldt ud demonstrerer deres praktiske værdi. Derfor har Japan lagt stigende vægt på udvikling af industriel robotteknologi. Startende med Kawasaki Heavy Industries som pioner inden for robotteknologi, efterfulgt af fremkomsten af verdenskendte robotvirksomheder som FANUC og Yaskawa, er Japan blevet en af de nationer, der mestrer banebrydende robotteknologier globalt.
I 1973 modificerede det tyske firma KUKA Unimate-robotten for at skabe den første robot med seks frihedsgrader, Famulus, drevet af en elektrisk motor. I 1974 udviklede ASEA (forgængeren for ABB), et svensk generelt elektrisk firma, verdens første fuldt elektriske robot, IRB 6, styret af en mikroprocessor, hvilket forbedrede robotintelligensen betydeligt. I 1978 implementerede det amerikanske Unimation Company sin PUMA-industrirobot i vid udstrækning på General Motors' samlebånd, hvilket yderligere demonstrerede industrirobotternes praktiske anvendelighed og værdi og markerede den fulde modenhed af industriel robotteknologi og lagde dermed et solidt fundament for efterfølgende teknologiske fremskridt.
I løbet af de mere end fire årtiers udvikling af industriel robotteknologi har der været kontinuerlige teknologiske fremskridt. Af sikkerhedsmæssige årsager er robotter dog typisk fastgjort til bestemte arbejdsstationer og isoleret af rækværk, hvilket forhindrer dem i at arbejde side om side med mennesker i samme rum. Denne traditionelle konfiguration begrænser samarbejdet mellem menneske og robot, hvilket gør det vanskeligt at opnå virkelig effektive samarbejdsoperationer. Trods adskillige forsøg og undersøgelser er det fortsat en stor udfordring inden for industriel robotteknologi at opnå sikkert samarbejde mellem menneske og robot.
Det var først i 2005, at et stort EU-finansieret projekt introducerede konceptet med kollaborative robotter. Initiativet samlede førende industrielle robotvirksomheder som ABB, KUKA, Reis, Comau og Gudel for i fællesskab at udvikle en overkommelig, kompakt og fleksibel robot, der er specielt designet til små og mellemstore virksomheder med det formål at reducere afhængigheden af outsourcing af arbejdskraft. Dette projekt fremhævede eksplicit potentialet i samarbejde mellem menneske og robot og lagde et solidt fundament for konceptet med kollaborative robotter.
Tidlige kollaborative robotter var primært modifikationer og anvendelser af traditionelle industrirobotter, uden fundamentalt at ændre deres designfilosofi eller driftstilstande. Siden etableringen i 2005 har Universal Robots været dedikeret til at udvikle kollaborative robotter, der er i stand til at arbejde sikkert sammen med menneskelige arbejdere. I 2009 lancerede virksomheden UR5 - verdens første kollaborative robot - hvilket markerede begyndelsen på denne æra. Efterfølgende introducerede Rethink den dobbeltarmede Baxter og den nye enkeltarmede Sawyer-robot, hvilket gradvist etablerede kollaborativ robotteknologi som en anerkendt og accepteret disciplin inden for industriel robotteknologi. Denne udvikling har givet nye indsigter og retninger for fremtidig industriel automatisering og intelligent udvikling.
Figur 5: UR5-robot og Sawyer Baxter-robot
Siasun Robot Company, tilknyttet Shenyang Institute of Automation under det kinesiske videnskabsakademi, præsenterede for første gang en syvakset fleksibel kollaborativ robot, der repræsenterede Kinas avancerede teknologiske niveau, på Industrial Expo i november 2015. Siden da har adskillige indenlandske kollaborative robotmodeller som Luoshi og Aobo gradvist vundet anerkendelse.
Hvad angår robotled, ligger den primære forskel mellem kollaborative robotled og traditionelle tunge industrirobotters led i deres "fleksibilitet". Denne fleksibilitet manifesterer sig gennem lavere mekanisk stivhed, reduceret inerti og evnen til at registrere drejningsmoment. I øjeblikket stammer den ledfleksibilitet, der anvendes i kollaborative robotarme, primært fra præcis positionskontrol og drejningsmomentkontrol.
Figur 6 Typisk struktur af det integrerede led i kollaborative robotter
En oversigt over den nuværende forskning viser, at Kinas robotudvikling startede senere end i lande som USA og Japan. Forskningen i kollaborative robotter halter stadig betydeligt bagud i forhold til eksisterende internationale produkter, hvor centrale flaskehalse ligger i harmoniske reduktionsmekanismer og fælles motordrevsstyringssystemer. Indenlandske kollaborative robotter har i øjeblikket betydelig plads til forbedring af fælles styringsfunktioner, især med hensyn til styringspræcision og intelligent styring. Desuden indikerer globale robotforskningstendenser, at sikkerhed, fleksibilitet og intelligens er dominerende karakteristika for teknologisk fremskridt. Robotled udvikler sig mod stærkt integrerede drivstyringssystemer og større intelligens. Selvom kollaborative robotled er gået fra traditionel centraliseret styring til distribuerede drivstyringsarkitekturer, udfører de i øjeblikket kun motordrevne handlinger og mangler evner til autonom opfattelse, intelligent beslutningstagning og behændig udførelse - hvilket resulterer i relativt lave niveauer af intelligens. Der er fortsat et betydeligt potentiale for at øge efterspørgslen efter intelligente robotsystemer.
Udsendelsestidspunkt: 22. maj 2026
