1.1 Pētījuma pamatojums
Līdz ar straujo zinātnes un tehnoloģiju attīstību,viedās iespējasturpina uzlaboties, padarot viedo ražošanu par dominējošu tendenci rūpniecības attīstībā. Piemēram, Ķīnas Informācijas rūpniecības ministrijas publicētie dati liecina, ka vietējā viedā ražošana 2023. gadā sasniedza ievērojamu izaugsmi par 11,6%, kas liecina par valsts pastāvīgajiem centieniem un tehnoloģiskajām inovācijām šajā jomā. Turklāt inovāciju skaits viedās ražošanas uzņēmumos ir ievērojami pieaudzis, aptverot tādas nozares kā augstas klases iekārtu ražošana, progresīvi materiāli un vides tehnoloģijas, atspoguļojot nozares vitalitāti un dziļo pārveidi. Šī tendence ir ne tikai revolucionizējusi tradicionālās ražošanas metodes, bet arī paātrinājusi rūpniecības modernizāciju, uzlabojot gan efektivitāti, gan kvalitāti. Arvien biežāk automatizētas ražošanas līnijas un rūpnieciskie roboti aizstāj cilvēku darbu.
Ar attīstībuviedās ražošanas laikmetsRūpniecisko robotu augsti automatizētās un inteliģentās tehnoloģiskās iezīmes lieliski atbilst ražošanas nozares pieaugošajām prasībām pēc augstas precizitātes, darbības vienkāršības un elastības ražošanas procesos. Tas ir palielinājis to nozīmi ražošanā, padarot tos par galveno virzītājspēku rūpnieciskās transformācijas un modernizācijas virzītājspēkā. Sadarbības roboti — rūpnieciskās ierīces, kas spēj panākt gan mašīnu savstarpēju, gan cilvēka un robota sadarbību — ir kļuvušas par galveno uzmanības objektu robotikas pētījumos, pateicoties to autonomajai uzvedībai un sadarbības spējām, kas pozicionē tās, lai spēlētu dominējošu lomu nākotnes rūpnieciskajā robotikā. Sadarbības robotu tehnoloģijā servodzinēju veiktspējas rādītāji, tostarp griezes momenta reakcijas ātrums, griezes momenta precizitāte, pozicionēšanas precizitāte, enerģijas patēriņš un temperatūras stabilitāte, tieši nosaka robota kustības efektivitāti, stabilitāti un precizitāti. Kā robotu jaudas kodols, servo sistēmu veiktspēja kritiski ietekmē kustības precizitāti un uzticamību. Jāatzīmē, ka locītavu servodzinējiem ir izšķiroša loma pozicionēšanas precizitātes sasniegšanā. Lielisks locītavu servodzinējs nodrošina precīzu pozicionēšanu un stabilu kustību sarežģītu uzdevumu laikā, tādējādi uzlabojot darbības efektivitāti un samazinot kļūdas.
“14. piecgades robotu nozares attīstības plāns” uzsver pētījumu veicināšanu par intelektuāliem integrētiem robotu savienojumiem, un šādi savienojumi ir īpaši piemēroti sadarbības robotiem. To ļoti integrētā dizaina koncepcija ietver pamatā esošos izpildmehānismus, sensorus un draiverus tieši pašā savienojumā, pārvēršot katru savienojumu par atsevišķu vadības bloku. Optimizējot iekšējo struktūru un izkārtojumu, izkliedētā vadības arhitektūra ievērojami samazina kabeļu skaitu starp dažādiem sistēmas līmeņiem, tādējādi samazinot uzturēšanas izmaksas un uzlabojot kopējo uzticamību. Modulārais dizains arī atvieglo savienojumu nomaiņu un apkopi, ievērojami palielinot sadarbības robotu konkurētspēju tirgū.
Thesadarbības robotu koncepcijapirmo reizi tika ieviests 1996. gadā, un tā dizaina filozofija revolucionizēja tradicionālo robotiku, nodrošinot koordinētas darbības starp robotiem un cilvēkiem ražošanas līnijās. Šī sadarbības pieeja ne tikai izmanto robotu efektivitāti un precizitāti, bet arī integrē cilvēka intelektu un elastību, uzlabojot darbības efektivitāti un plūstamību. Salīdzinot ar tradicionālajiem rūpnieciskajiem robotiem, sadarbības robotiem piemīt atšķirīgas īpašības, kas nostiprina sevi kā nozīmīgu apakškategoriju robotikas jomā. Gan to fiziskā struktūra, gan vadības sistēmas ir būtiski modificētas. Tradicionālie rūpnieciskie roboti, piemēram, 1. attēlā attēlotās robotizētās rokas konfigurācijas, galvenokārt tiek izmantoti paletizēšanā, materiālu apstrādē, metināšanā un lāzergriešanas lietojumprogrammās. Lai gan šiem robotiem ir raksturīga augsta stingrība, strukturālā stabilitāte un liela nestspēja, tiem ir arī ierobežojumi: relatīvi liels izmērs un masa, ievērojama kustības inerce, apjomīgas konstrukcijas ar sliktu elastību un nespēja veikt ļoti veiklus montāžas uzdevumus. Turklāt to ievērojamais inerces impulss un ātrgaitas kustības rada ievērojamus drošības riskus personālam to darbības rādiusā, padarot nepieciešamību darboties slēgtās slēgtās telpās.
1. attēls. Tradicionālās rūpnieciskās robotizētās rokas un sadarbības roboti.
Sadarbības roboti nodrošina vienlaicīgu darbību ar cilvēkiem koplietojamās telpās un veicina neliela attāluma mijiedarbību sadarbības zonās. Salīdzinot ar tradicionālajām robotu rokām, sadarbības roboti parasti iztur maksimālo slodzi uz sava gala efektora 20 kg, un to darbības diapazons ir salīdzināms ar cilvēka rokas sniedzamību. To struktūra ir vienkāršāka nekā tradicionālajām rūpnieciskajām robotu rokām, tām ir sarežģīti transmisijas mehānismi, vienlaikus piedāvājot jutīgu spēka atgriezenisko saiti, vieglu svaru, elastību un spēcīgas uztveres spējas. Šīs funkcijas ļauj tiem dinamiski pielāgot spēku cilvēku mijiedarbības laikā, efektīvi novēršot vardarbīgus bojājumus. Līdz ar to sadarbības roboti var droši sadarboties ar cilvēkiem, lai veiktu uzdevumus, neizmantojot tradicionālās drošības barjeras.
Sadarbības roboti iesaistās tiešā cilvēka kontaktā; tāpēc drošība ir neaizstājama prasība cilvēka un robota sadarbībā. Ir svarīgi stingri kontrolēt darbības jaudu un rotācijas griezes momentu, vienlaikus izmantojot tādus tehniskus pasākumus kā strāvas kontrole, griezes momenta kontrole, kontakta sensori un sadursmju noteikšana, lai novērstu personāla traumas. Robotu viedās piedziņas vadības sistēmas ir jāturpina optimizēt drošības pārvaldībai, nodrošinot adaptīvu un vienmērīgu vadību, izmantojot dinamiskus aprēķinus un uz novērotājiem balstītu modelēšanu.
Nesenā pētījumā Starptautiskā Robotikas federācija (IFR) uzsvēra, ka nākotnes robotu izstrādē galvenokārt būs vērojamas tendences uz vienkāršību, lietošanas ērtumu, elastību un drošu sadarbību. Rūpnieciskie roboti pakāpeniski sasniegs augstāku automatizācijas un intelekta līmeni; to lietotājam draudzīgais dizains samazinās darbības šķēršļus, ļaujot vairāk uzņēmumiem bez piepūles izmantot robotikas tehnoloģijas, lai uzlabotu ražošanas efektivitāti. Tikmēr dizaini, kas nodrošina elastību un drošas sadarbības iespējas, ļaus robotiem labāk pielāgoties dažādām un sarežģītām ražošanas vidēm, veicinot cilvēka un robota sadarbību un vēl vairāk virzot uz priekšu rūpnieciskās ražošanas inteliģentu un efektīvu attīstību.
2. attēls: Sadarbības robota darba zona
1.2 Pētījuma nozīmīgums
Pašreizējā sadarbīgās robotikas tirgū septiņu brīvības pakāpju roboti ir iecienīti to plašā darbības diapazona un elastības dēļ. Šie roboti nodrošina papildu brīvības pakāpes, piedāvājot lielāku potenciālu rūpnieciskajai automatizācijai un viedai ražošanai. Katra brīvības pakāpe tiek panākta, izmantojot robotizētu savienojumu, kas kalpo kā kritisks faktors robota veiktspējas noteikšanā. Četri lielākie ražotāji — FANUC, ABB, Yaskawa un KUKA — katrs savās tradicionālajās rūpnieciskajās robotiskajās rokās izmanto atšķirīgas transmisijas sistēmas; tomēr tie būtībā izmanto servomotorus, kas savienoti pārī ar konusveida zobratiem, cilindriskiem zobratiem vai sinhronajām siksnām, lai pārnestu jaudu uz savienojumiem rotācijai. Šīs transmisijas metodes ierobežo robotizēto savienojumu izmēru. Lai gan ir iespējams sasniegt augstu precizitāti, miniaturizācija joprojām ir sarežģīta. Kā parādīts 3. attēlā, tradicionālajiem rūpnieciskajiem robotiem ir nepieciešami ārēji vadības skapji, kuros atrodas motora servo piedziņas, ar daudziem vadiem, kas savieno katru motoru ar skapi, tādējādi ierobežojot vadības sistēmu elastīgu izvietošanu.
3. attēls. Tradicionālais rūpnieciskais robots un vadības skapis.
Ņemot vērā, ka rūpniecisko robotu roku tradicionālās savienojumu konfigurācijas vairs neatbilst sadarbības robotu prasībām, šajos savienojumos ir atteikušies no tradicionālajiem transmisijas mehānismiem par labu jaunai dizaina filozofijai. Šī pieeja koncentrējas uz vieglu, zema sprieguma un ļoti integrētu sistēmu ieviešanu, integrējot kontrolieri, servo piedziņu un motoru pašā savienojumā, un pamatā esošos elektriskos savienojumus ieviešot arī iekšēji. Ārēji ir redzamas tikai minimālas vadības saskarnes, vienkāršojot ārējo elektroinstalāciju un samazinot inženiertehnisko sarežģītību. Šādu konstrukciju sauc par integrētu savienojumu.
Ņemot vērā pašreizējās attīstības vajadzības un tendences sadarbības robotu savienojumu jomā, īpaši svarīgi ir izstrādāt vieglu, zemsprieguma, ļoti integrētu un augstas veiktspējas integrētu sadarbības robotu savienojumu. Šāds integrēts savienojums ietver visas būtiskās sastāvdaļas, kas nepieciešamas savienojuma kustībai, tostarp izpildmehānismus, kontrolierus, draiverus un sensorus, un var darboties neatkarīgi kā atsevišķs modulis. Savienojot to ar galveno kontrolieri vai citiem moduļiem, izmantojot vienkāršas barošanas un vadības kopnes, šī ļoti saliedētā, bet mazsavienojuma konstrukcija ievērojami uzlabo sadarbības robotu mērogojamību. Izmantojot šo integrēto modulāro savienojumu un savienojot to ar atbilstoša izmēra robotu rokām un gala efektoriem, var viegli salikt dažādām prasībām pielāgotus sadarbības robotus.
4. attēls. Modulārā savienojuma shematiska diagramma.
Pētījumi par integrētām savienojuma vietām sadarbības robotiem un to servo vadības sistēmām ir ļoti svarīgi sadarbības robotikas attīstībai. Šo integrēto savienojumu pamattehnoloģijas sastāv no diviem galvenajiem komponentiem: harmonisko reduktoriem un savienojuma motora piedziņas vadības sistēmām kopā ar atbilstošajiem vadības algoritmiem. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. koncentrējas uz savienojuma motora piedziņas vadības sistēmām sadarbības robotiem, veicot padziļinātus pētījumus par savienojuma motora piedziņu un vadības mehānismiem. Uzņēmums izstrādā virkni ļoti inteliģentu integrētu robotu savienojuma motora produktu, kas nodrošina elastīgākas un uzticamākas vadības iespējas sadarbības robotu savienojuma vietām, vienlaikus iekļaujot tādas svarīgas funkcijas kā pašizpratne, inteliģenta lēmumu pieņemšana, veiklība un precīza vadība, tādējādi apmierinot viedo iekārtu izstrādes prasības.
2 Pašreizējais pētījumu statuss vietējā un starptautiskā mērogā
1956. gadā amerikāņu fiziķis Džo Engelbergers un izgudrotājs Džordžs Devols nodibināja robotikas uzņēmumu ar nosaukumu Unimation, kas 1959. gadā veiksmīgi izstrādāja pasaulē pirmo rūpniecisko robotu — Unimate.
General Motors pirmo reizi robotus rūpnieciskajā ražošanā ieviesa savā Ņūdžersijas rūpnīcā 1961. gadā. 1969. gadā Japāna ieviesa robotus no Unimation, vēlāk licencējot savu tehnoloģiju Kawasaki Heavy Industries un Apvienotajā Karalistē bāzētajai KUKAI Corporation robotu ražošanas darbībām attiecīgi Japānā un Apvienotajā Karalistē. Attīstoties Japānas autobūves nozarei, arvien vairāk robotu ir aizstājuši cilvēku darbu ražošanā, pilnībā demonstrējot to praktisko vērtību. Līdz ar to Japāna ir pievērsusi arvien lielāku uzmanību rūpnieciskās robotikas attīstībai. Sākot ar Kawasaki Heavy Industries kā pionieri robotu tehnoloģiju ieviešanā, kam sekoja tādu pasaulslavenu robotikas uzņēmumu kā FANUC un Yaskawa parādīšanās, Japāna ir kļuvusi par vienu no valstīm, kas pasaulē apgūst jaunākās robotikas tehnoloģijas.
1973. gadā vācu uzņēmums KUKA modificēja robotu Unimate, lai izveidotu pirmo sešu brīvības pakāpju robotu Famulus, ko darbina elektromotors. 1974. gadā Zviedrijas uzņēmums ASEA (ABB priekštecis), kas ir vispārējas nozīmes elektrotehnikas uzņēmums, izstrādāja pasaulē pirmo pilnībā elektrisko robotu IRB 6, ko kontrolē mikroprocesors, ievērojami uzlabojot robota intelektu. 1978. gadā ASV uzņēmums Unimation Company plaši ieviesa savu rūpniecisko robotu PUMA General Motors montāžas līnijās, vēl vairāk demonstrējot rūpniecisko robotu praktiskumu un vērtību un iezīmējot rūpnieciskās robotikas tehnoloģijas pilnīgu briedumu, tādējādi liekot stabilu pamatu turpmākajiem tehnoloģiskajiem sasniegumiem.
Vairāk nekā četru desmitgažu laikā, attīstot rūpniecisko robotiku, tehnoloģiskie uzlabojumi ir bijuši nepārtraukti. Tomēr drošības apsvērumu dēļ roboti parasti ir fiksēti noteiktās darbstacijās un izolēti ar margām, kas neļauj tiem strādāt blakus cilvēkiem vienā telpā. Šī tradicionālā konfigurācija ierobežo cilvēka un robota sadarbību, apgrūtinot patiesi efektīvu sadarbības darbību sasniegšanu. Neskatoties uz daudzajiem mēģinājumiem un pētījumiem, drošas cilvēka un robota sadarbības nodrošināšana joprojām ir liels izaicinājums rūpnieciskās robotikas jomā.
Tikai 2005. gadā liels ES finansēts projekts ieviesa sadarbīgo robotu koncepciju. Iniciatīva apvienoja vadošos rūpnieciskās robotikas uzņēmumus, piemēram, ABB, KUKA, Reis, Comau un Gudel, lai kopīgi izstrādātu pieejamu, kompaktu un elastīgu robotu, kas īpaši paredzēts maziem un vidējiem uzņēmumiem, cenšoties samazināt atkarību no darbaspēka ārpakalpojumiem. Šis projekts skaidri uzsvēra cilvēka un robota sadarbības potenciālu, liekot stabilu pamatu sadarbīgo robotu koncepcijai.
Agrīnie sadarbīgie roboti galvenokārt bija tradicionālo rūpniecisko robotu modifikācijas un pielietojumi, būtiski nemainot to dizaina filozofiju vai darbības režīmus. Kopš dibināšanas 2005. gadā Universal Robots ir veltījis sevi tādu sadarbīgo robotu izstrādei, kas spēj droši strādāt līdzās cilvēkiem. 2009. gadā uzņēmums laida klajā UR5 — pasaulē pirmo sadarbīgo robotu —, kas iezīmēja šīs ēras sākumu. Pēc tam Rethink ieviesa divroku Baxter un jauno vienroku Sawyer robotu, pakāpeniski nostiprinot sadarbīgo robotiku kā atzītu un pieņemtu disciplīnu rūpnieciskajā robotikā. Šis sasniegums ir sniedzis jaunas atziņas un virzienus nākotnes rūpnieciskajai automatizācijai un intelektuālajai attīstībai.
5. attēls: UR5 robots un Sawyer Baxter robots
Siasun Robot Company, kas ir saistīta ar Ķīnas Zinātņu akadēmijas Šeņjanas Automatizācijas institūtu, pirmo reizi demonstrēja septiņu asu elastīgu sadarbības robotu, kas pārstāvēja Ķīnas progresīvo tehnoloģisko līmeni, Rūpniecības izstādē 2015. gada novembrī. Kopš tā laika daudzi vietējie sadarbības robotu modeļi, piemēram, Luoshi un Aobo, ir pakāpeniski ieguvuši atzinību.
Runājot par robotizētajiem savienojumiem, galvenā atšķirība starp sadarbīgo robotu savienojumiem un tradicionālo lieljaudas rūpniecisko robotu savienojumiem ir to “elastība”. Šī elastība izpaužas kā zemāka mehāniskā stingrība, samazināta inerce un spēja uztvert griezes momentu. Pašlaik sadarbīgo robotu roku savienojumu elastība galvenokārt izriet no precīzas pozīcijas kontroles un griezes momenta kontroles.
6. attēls. Integrētā savienojuma tipiskā struktūra sadarbības robotos.
Pašreizējo pētījumu pārskats atklāj, ka Ķīnas robotikas attīstība sākās vēlāk nekā tādās valstīs kā Amerikas Savienotās Valstis un Japāna. Pētījumi par sadarbīgajiem robotiem joprojām ievērojami atpaliek no esošajiem starptautiskajiem produktiem, un galvenās vājās vietas ir harmonisko reduktoru un kopīgu motoru piedziņas vadības sistēmu jomā. Vietējiem sadarbīgajiem robotiem pašlaik ir ievērojamas iespējas uzlabot kopīgu vadības iespējas, jo īpaši vadības precizitātes un intelektuālās vadības ziņā. Turklāt globālās robotikas pētījumu tendences liecina, ka drošība, elastība un intelekts ir tehnoloģiskās attīstības dominējošās iezīmes. Robotu savienojumi attīstās, virzoties uz ļoti integrētām piedziņas vadības sistēmām un lielāku intelektu. Lai gan sadarbīgo robotu savienojumi ir pārgājuši no tradicionālās centralizētās vadības uz izkliedētām piedziņas vadības arhitektūrām, tie pašlaik veic tikai motora vadītas darbības, tiem trūkst spēju autonomi uztvert, pieņemt intelektuālus lēmumus un veikt veiklu izpildi, kā rezultātā intelekta līmenis ir relatīvi zems. Joprojām pastāv ievērojams potenciāls paplašināt pieprasījumu pēc intelektuālām robotikas sistēmām.
Publicēšanas laiks: 2026. gada 22. maijs
