1.1 Kutatási háttér
A tudomány és a technológia gyors fejlődésével,intelligens képességekfolyamatosan javulnak, így az intelligens gyártás az ipari fejlődés uralkodó trendjévé válik. Például a kínai Információs Ipari Minisztérium által közzétett adatok azt mutatják, hogy a hazai intelligens gyártás 2023-ban figyelemre méltó, 11,6%-os növekedést ért el – ami bizonyítja az ország folyamatos erőfeszítéseit és technológiai innovációját ezen a területen. Ezenkívül az intelligens gyártóvállalatok innovációinak száma jelentősen megnőtt, olyan ágazatokat ölelve fel, mint a csúcskategóriás berendezések gyártása, a fejlett anyagok és a környezetvédelmi technológiák, tükrözve az iparág vitalitását és mélyreható átalakulását. Ez a tendencia nemcsak forradalmasította a hagyományos gyártási termelési módszereket, hanem felgyorsította az ipari korszerűsítést is, javítva mind a hatékonyságot, mind a minőséget. Az automatizált gyártósorok és az ipari robotok egyre inkább felváltják az emberi munkaerőt.
A fejlődésévelintelligens gyártási korszakAz ipari robotok magas szinten automatizált és intelligens technológiai jellemzői tökéletesen illeszkednek a gyártóipar növekvő igényeihez a nagy pontosság, a könnyű kezelhetőség és a rugalmasság iránt a termelési folyamatokban. Ez megnövelte jelentőségüket a gyártásban, és az ipari átalakulás és korszerűsítés mozgatórugójává váltak. Az együttműködő robotok – olyan ipari eszközök, amelyek képesek mind gép-gép, mind ember-robot együttműködésre – autonóm viselkedésük és együttműködési képességeik miatt kulcsfontosságú fókuszponttá váltak a robotikai kutatásokban, ami domináns szerepet jelent a jövő ipari robotikájában. Az együttműködő robottechnológiában a szervomotorok teljesítménymutatói – beleértve a nyomatékválasz sebességét, a nyomaték pontosságát, a pozicionálási pontosságot, az energiafogyasztást és a hőmérséklet-stabilitást – közvetlenül meghatározzák a robot mozgáshatékonyságát, stabilitását és pontosságát. A robotok energiaellátásának magjaként a szervorendszerek teljesítménye kritikusan befolyásolja a mozgás pontosságát és megbízhatóságát. Nevezetesen, az ízületi szervomotorok kulcsszerepet játszanak a pozicionálási pontosság elérésében. Egy kiváló ízületi szervomotor biztosítja a pontos pozicionálást és a stabil mozgást összetett feladatok során, ezáltal javítja a működési hatékonyságot és minimalizálja a hibákat.
A „14. ötéves robotikai fejlesztési terv” hangsúlyozza az intelligens integrált robotcsatlakozások kutatásának előmozdítását, mivel az ilyen csatlakozások különösen alkalmasak az együttműködő robotok számára. A magasan integrált tervezési koncepciójuk magában a csatlakozásban foglalja az alapul szolgáló aktuátorokat, érzékelőket és meghajtókat, így minden csatlakozás önálló vezérlőegységgé alakul. A belső szerkezet és elrendezés optimalizálásával az elosztott vezérlőarchitektúra jelentősen csökkenti a különböző rendszerszintek közötti kábelek számát, ezáltal csökkentve a karbantartási költségeket és növelve az általános megbízhatóságot. A moduláris kialakítás a csatlakozások egyszerűbb cseréjét és karbantartását is megkönnyíti, ami jelentősen növeli az együttműködő robotok piaci versenyképességét.
Aaz együttműködő robotok koncepciója1996-ban mutatták be először, tervezési filozófiája forradalmasította a hagyományos robotikát azáltal, hogy lehetővé tette a robotok és az emberek közötti összehangolt műveleteket a gyártósorokon. Ez az együttműködő megközelítés nemcsak a robotok hatékonyságát és pontosságát használja ki, hanem integrálja az emberi intelligenciát és rugalmasságot is, növelve a működési hatékonyságot és a folyékonyságot. A hagyományos ipari robotokhoz képest az együttműködő robotok eltérő jellemzőkkel rendelkeznek, és jelentős alkategóriává váltak a robotika területén. Mind fizikai szerkezetük, mind vezérlőrendszerük jelentős módosításokon esett át. A hagyományos ipari robotokat – mint például az 1. ábrán látható robotkar-konfigurációk – elsősorban palettázáshoz, anyagmozgatáshoz, hegesztéshez és lézervágáshoz használják. Bár ezek a robotok nagy merevséggel, szerkezeti stabilitással és erős teherbírással rendelkeznek, korlátokkal is rendelkeznek: viszonylag nagy méret és tömeg, jelentős mozgási tehetetlenség, nehézkes kialakítás gyenge rugalmassággal, valamint képtelenek nagyfokú agilitású összeszerelési feladatok elvégzésére. Ezenkívül jelentős tehetetlenségi lendületük és nagy sebességű mozgásuk jelentős biztonsági kockázatot jelent a működési sugarukon belüli személyzet számára, ami szükségessé teszi a zárt, zárt területeken belüli működést.
1. ábra Hagyományos ipari robotkarok és együttműködő robotok
Az együttműködő robotok lehetővé teszik az emberekkel való egyidejű működést megosztott terekben, és elősegítik a közeli interakciót az együttműködő zónákon belül. A hagyományos robotkarokkal összehasonlítva az együttműködő robotok jellemzően maximum 20 kg-os terhelést viselnek el az effektorukon, működési tartományuk pedig összehasonlítható az emberi kar hatótávolságával. Szerkezetük egyszerűbb, mint a hagyományos ipari robotkaroké, összetett átviteli mechanizmusokkal, miközben érzékeny erő-visszacsatolást, könnyű súlyt és rugalmasságot, valamint robusztus érzékelési képességeket kínálnak. Ezek a tulajdonságok lehetővé teszik számukra, hogy dinamikusan igazítsák az erőt az emberi interakciók során, hatékonyan megelőzve az erőszakos károkat. Következésképpen az együttműködő robotok biztonságosan együttműködhetnek az emberekkel a feladatok elvégzésében anélkül, hogy hagyományos biztonsági korlátokra lenne szükségük.
Az együttműködő robotok közvetlen emberi érintkezésben lévő műveleteket végeznek; ezért a biztonság elengedhetetlen követelmény az ember-robot együttműködésben. Alapvető fontosságú a működési teljesítmény és a forgatónyomaték szigorú szabályozása, miközben olyan technikai intézkedéseket alkalmaznak, mint az áramszabályozás, a nyomatékszabályozás, az érintkezőérzékelők és az ütközésérzékelés, a személyi sérülések megelőzése érdekében. A robotok intelligens hajtásvezérlő rendszerei további optimalizálást igényelnek a biztonságmenedzsment érdekében, lehetővé téve az adaptív, sima vezérlést dinamikus számítások és megfigyelőalapú modellezés révén.
Egy friss tanulmányban a Nemzetközi Robotikai Szövetség (IFR) kiemelte, hogy a jövőbeli robotfejlesztés elsősorban az egyszerűség, a könnyű használat, a rugalmasság és a biztonságos együttműködés felé mutató trendeket fogja mutatni. Az ipari robotok fokozatosan magasabb szintű automatizálást és intelligenciát fognak elérni; felhasználóbarát kialakításuk csökkenti a működési akadályokat, lehetővé téve több vállalkozás számára, hogy könnyedén kihasználja a robotikai technológiát a termelési hatékonyság növelése érdekében. Eközben a rugalmasságot és a biztonságos együttműködési képességeket kínáló kialakítások lehetővé teszik a robotok számára, hogy jobban alkalmazkodjanak a változatos és összetett termelési környezetekhez, megkönnyítve az ember-robot együttműködést, és tovább előmozdítva az ipari termelés intelligens és hatékony fejlesztését.
2. ábra: Az együttműködő robot munkaterülete
1.2 A kutatás jelentősége
A jelenlegi együttműködő robotikai piacon a hét szabadságfokú robotok kedveltek széles működési tartományuk és rugalmasságuk miatt. Ezek a robotok redundáns szabadságfokokat biztosítanak, nagyobb potenciált kínálva az ipari automatizálás és az intelligens gyártás számára. Minden szabadságfok egy robot illesztésen keresztül érhető el, amely kritikus tényező a robot teljesítményének meghatározásában. A négy nagy gyártó – a FANUC, az ABB, a Yaskawa és a KUKA – mindegyike különálló átviteli rendszereket alkalmaz hagyományos ipari robotkarjaiban; azonban alapvetően szervomotorokat használnak kúpkerekekkel, homlokkerekekkel vagy szinkronszíjakkal párosítva az erő továbbítására az illesztésekhez a forgatáshoz. Ezek az átviteli módszerek korlátozzák a robot illesztések méretét. Bár a nagy pontosság elérése lehetséges, a miniatürizálás továbbra is kihívást jelent. Amint a 3. ábra mutatja, a hagyományos ipari robotokhoz külső vezérlőszekrényekre van szükség, amelyek motor-szervóhajtásokat tartalmaznak, és számos vezeték köti össze az egyes motorokat a szekrénysel, ezáltal korlátozva a vezérlőrendszerek rugalmas telepítését.
3. ábra Hagyományos ipari robot és vezérlőszekrény
Mivel az ipari robotkarok hagyományos illesztési konfigurációi már nem felelnek meg az együttműködő robotok követelményeinek, ezek az illesztések elhagyták a hagyományos átviteli mechanizmusokat egy új tervezési filozófia javára. Ez a megközelítés a könnyű, alacsony feszültségű és nagymértékben integrált rendszerek elérésére összpontosít a vezérlő, a szervohajtás és a motor integrálásával magában az illesztésben, az alatta lévő elektromos csatlakozásokkal együtt. Csak minimális számú vezérlőinterfész van kívülről látható, ami egyszerűsíti a külső kábelezést és csökkenti a mérnöki bonyolultságot. Az ilyen kialakítást integrált illesztésnek nevezik.
Tekintettel a kollaboratív robotcsatlakozások jelenlegi fejlesztési igényeire és trendjeire, különösen fontos egy könnyű, alacsony feszültségű, nagymértékben integrált és nagy teljesítményű integrált kollaboratív robotcsatlakozás tervezése. Egy ilyen integrált csatlakozás magában foglalja az ízület mozgásához szükséges összes alapvető komponenst – beleértve az aktuátorokat, vezérlőket, meghajtókat és érzékelőket –, és önálló modulként is működhet. Ha egyszerű tápellátási és vezérlőbuszokon keresztül csatlakozik a fővezérlőhöz vagy más modulokhoz, ez a rendkívül koherens, mégis alacsony csatolású kialakítás jelentősen javítja a kollaboratív robotok skálázhatóságát. Ennek az integrált moduláris csatlakozásnak a felhasználásával és a megfelelő méretű robotkarokkal és effektorokkal való párosításával a különböző követelményekhez igazított kollaboratív robotok könnyen összeszerelhetők.
4. ábra A moduláris csatlakozás vázlatos rajza
Az együttműködő robotok integrált ízületeivel és szervovezérlő rendszereivel kapcsolatos kutatások jelentős jelentőséggel bírnak az együttműködő robotika fejlődése szempontjából. Ezen integrált ízületek alapvető technológiái két kulcsfontosságú összetevőből állnak: harmonikus reduktorokból és ízületmotoros hajtásvezérlő rendszerekből, valamint a hozzájuk tartozó vezérlőalgoritmusokból. A Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. az együttműködő robotok ízületmotoros hajtásvezérlő rendszereire összpontosítja kutatásait, mélyreható tanulmányokat végezve az ízületmotoros hajtásokról és vezérlőmechanizmusokról. A vállalat egy sor rendkívül intelligens integrált robotízületmotor-terméket fejleszt, amelyek rugalmasabb és megbízhatóbb vezérlési képességeket tesznek lehetővé az együttműködő robotízületek számára, miközben olyan kritikus jellemzőket tartalmaznak, mint az önészlelés, az intelligens döntéshozatal, az ügyes végrehajtás és a precíz vezérlés – ezáltal megfelelve az intelligens berendezésfejlesztés igényeinek.
2 A kutatás jelenlegi helyzete belföldön és nemzetközi szinten
1956-ban Joe Engelberger amerikai fizikus és George Devol feltaláló megalapította az Unimation nevű robotikai céget, amely 1959-ben sikeresen kifejlesztette a világ első ipari robotját, az Unimate-et.
A General Motors először 1961-ben vetett be robotokat az ipari termelésben New Jersey-i üzemében. 1969-ben Japán bevezette az Unimation robotjait, később pedig licencbe adta technológiáját a Kawasaki Heavy Industriesnek és az Egyesült Királyságban működő KUKAI Corporationnek robotgyártási műveletekhez Japánban, illetve az Egyesült Királyságban. A japán autóipar fejlődésével egyre több robot váltotta fel az emberi munkaerőt a termelésben, teljes mértékben bizonyítva gyakorlati értéküket. Következésképpen Japán egyre nagyobb hangsúlyt fektetett az ipari robotika fejlesztésére. A Kawasaki Heavy Industries-szel kezdve, mint a robottechnológia alkalmazásának úttörőjével, majd olyan világhírű robotikai vállalatok megjelenésével, mint a FANUC és a Yaskawa, Japán a legmodernebb robotikai technológiákat világszerte elsajátító nemzetek közé került.
1973-ban a német KUKA cég módosította az Unimate robotot, és megalkotta az első hat szabadságfokú robotot, a Famulust, amelyet egy elektromos motor hajtott. 1974-ben az ASEA (az ABB elődje), egy svéd általános villamosipari vállalat, kifejlesztette a világ első teljesen elektromos robotját, az IRB 6-ot, amelyet egy mikroprocesszor vezérelt, jelentősen növelve a robotok intelligenciáját. 1978-ban az amerikai székhelyű Unimation Company széles körben bevezette PUMA ipari robotját a General Motors összeszerelő sorain, tovább demonstrálva az ipari robotok praktikusságát és értékét, és jelezve az ipari robotikai technológia teljes érettségét, ezáltal szilárd alapot teremtve a későbbi technológiai fejlesztésekhez.
Az ipari robotika fejlesztésének több mint négy évtizede során a technológiai fejlődés folyamatos volt. Biztonsági megfontolások miatt azonban a robotokat jellemzően meghatározott munkaállomásokhoz rögzítik és korlátokkal izolálják, ami megakadályozza, hogy az emberekkel együtt, ugyanabban a térben dolgozzanak. Ez a hagyományos konfiguráció korlátozza az ember-robot együttműködést, megnehezítve a valóban hatékony kooperatív műveletek elérését. Számos kísérlet és felfedezés ellenére az ember-robot biztonságos együttműködésének elérése továbbra is komoly kihívást jelent az ipari robotika területén.
Csak 2005-ben vezették be egy jelentős, EU által finanszírozott projekt az együttműködő robotok koncepcióját. A kezdeményezés olyan vezető ipari robotikai vállalatokat hozott össze, mint az ABB, a KUKA, a Reis, a Comau és a Gudel, hogy közösen fejlesszenek ki egy megfizethető, kompakt és rugalmas robotot, amelyet kifejezetten kis- és középvállalkozások számára terveztek, azzal a céllal, hogy csökkentsék a munkaerő-kiszervezéstől való függőséget. Ez a projekt kifejezetten kiemelte az ember-robot együttműködésben rejlő lehetőségeket, szilárd alapokat fektetve le az együttműködő robotok koncepciója számára.
A korai együttműködő robotok elsősorban a hagyományos ipari robotok módosításai és alkalmazásai voltak, anélkül, hogy alapvetően megváltoztatták volna tervezési filozófiájukat vagy működési módjukat. 2005-ös megalakulása óta a Universal Robots elkötelezett az olyan együttműködő robotok fejlesztése iránt, amelyek képesek biztonságosan együtt dolgozni az emberi munkásokkal. 2009-ben a vállalat piacra dobta az UR5-öt – a világ első együttműködő robotját –, ezzel kezdetét véve ennek a korszaknak. Ezt követően a Rethink bemutatta a kétkarú Baxtert és az új egykarú Sawyer robotot, fokozatosan megalapozva az együttműködő robotikát az ipari robotikán belül, mint elismert és elfogadott tudományágat. Ez a fejlődés új felismeréseket és irányokat kínált a jövőbeli ipari automatizálás és intelligens fejlesztés számára.
5. ábra: UR5 robot és Sawyer Baxter robot
A Kínai Tudományos Akadémia Shenyang Automatizálási Intézetével kapcsolatban álló Siasun Robot Company először 2015 novemberében, az Ipari Expón mutatott be egy héttengelyes, rugalmas, együttműködő robotot, amely Kína fejlett technológiai szintjét képviselte. Azóta számos hazai együttműködő robotmodell, mint például a Luoshi és az Aobo, fokozatosan szerzett elismerést.
A robotikus ízületek tekintetében az együttműködő robotok ízületei és a hagyományos nagy teherbírású ipari robotok ízületei közötti elsődleges különbség a „rugalmasságukban” rejlik. Ez a rugalmasság az alacsonyabb mechanikai merevségben, a csökkent tehetetlenségben és a nyomatékérzékelés képességében nyilvánul meg. Jelenleg az együttműködő robotkarokban alkalmazott ízületi rugalmasság elsősorban a precíz pozíciószabályozásból és nyomatékszabályozásból ered.
6. ábra Az együttműködő robotok integrált illesztésének tipikus felépítése
A jelenlegi kutatások áttekintése azt mutatja, hogy Kína robotikai fejlesztése később kezdődött, mint például az Egyesült Államok és Japáné. Az együttműködő robotokkal kapcsolatos kutatások továbbra is jelentősen elmaradnak a meglévő nemzetközi termékektől, a főbb szűk keresztmetszetek a harmonikus reduktorok és az ízületi motoros hajtásvezérlő rendszerek. A hazai együttműködő robotoknak jelenleg jelentős fejlesztési lehetőségük van az ízületi vezérlési képességek terén, különösen a vezérlési pontosság és az intelligens vezérlés tekintetében. Továbbá a globális robotikai kutatási trendek azt mutatják, hogy a biztonság, a rugalmasság és az intelligencia a technológiai fejlődés domináns jellemzői. A robotízületek a nagymértékben integrált hajtásvezérlő rendszerek és a nagyobb intelligencia felé fejlődnek. Bár az együttműködő robotízületek a hagyományos központosított vezérlésről az elosztott hajtásvezérlő architektúrákra váltottak, jelenleg csak motorvezérelt műveleteket hajtanak végre, hiányoznak belőlük az autonóm érzékelés, az intelligens döntéshozatal és az ügyes végrehajtás képességei, ami viszonylag alacsony intelligenciaszintet eredményez. Továbbra is jelentős potenciál van az intelligens robotikai rendszerek iránti kereslet bővítésére.
Közzététel ideje: 2026. május 22.
