1.1 Forskningsbakgrunn
Med den raske utviklingen innen vitenskap og teknologi,intelligente evnerfortsette å forbedre seg, noe som gjør smart produksjon til en rådende trend innen industriell utvikling. For eksempel viser data utgitt av Kinas departement for informasjonsindustri at innenlandsk smart produksjon oppnådde en bemerkelsesverdig vekst på 11,6 % i 2023 – et bevis på landets vedvarende innsats og teknologiske innovasjon på dette feltet. Videre har antallet innovasjoner blant smarte produksjonsbedrifter økt betydelig, og spenner over sektorer som produksjon av avansert utstyr, avanserte materialer og miljøteknologi, noe som gjenspeiler industriens vitalitet og dyptgående transformasjon. Denne trenden har ikke bare revolusjonert tradisjonelle produksjonsmetoder, men også akselerert industriell oppgradering, noe som forbedrer både effektivitet og kvalitet. Automatiserte produksjonslinjer og industriroboter erstatter i økende grad menneskelig arbeidskraft.
Med fremskrittene tilintelligent produksjonsæraDe svært automatiserte og intelligente teknologiske egenskapene til industriroboter samsvarer perfekt med produksjonsindustriens økende krav til høy presisjon, brukervennlighet og fleksibilitet i produksjonsprosesser. Dette har økt deres betydning i produksjonen, noe som gjør dem til en sentral kraft som driver industriell transformasjon og oppgradering. Samarbeidende roboter – industrielle enheter som er i stand til å oppnå både maskin-til-maskin-samarbeid og menneske-robot-samarbeid – har blitt et sentralt fokus innen robotforskning på grunn av deres autonome oppførsel og samarbeidsevner, noe som posisjonerer dem til å spille en dominerende rolle i fremtidens industrielle robotikk. Innen samarbeidende robotteknologi bestemmer servomotorens ytelsesmålinger – inkludert momentresponshastighet, momentnøyaktighet, posisjoneringspresisjon, strømforbruk og temperaturstabilitet – direkte en robots bevegelseseffektivitet, stabilitet og nøyaktighet. Som kraftkjernen i roboter påvirker servosystemers ytelse bevegelsespresisjon og pålitelighet kritisk. Spesielt spiller leddservomotorer en sentral rolle i å oppnå posisjoneringsnøyaktighet. En utmerket leddservomotor sikrer presis posisjonering og stabil bevegelse under komplekse oppgaver, og forbedrer dermed driftseffektiviteten og minimerer feil.
Den «14. femårsplanen for robotindustriens utvikling» legger vekt på å fremme forskning på intelligente integrerte robotledd, der slike ledd er spesielt egnet for samarbeidende roboter. Deres svært integrerte designkonsept integrerer underliggende aktuatorer, sensorer og drivere direkte i selve leddet, og gjør hvert ledd til en frittstående kontrollenhet. Ved å optimalisere intern struktur og layout reduserer den distribuerte kontrollarkitekturen antallet kabler mellom ulike systemnivåer betydelig, og reduserer dermed vedlikeholdskostnadene og forbedrer den generelle påliteligheten. Den modulære designen muliggjør også enklere leddutskifting og vedlikehold, noe som øker markedskonkurranseevnen til samarbeidende roboter betydelig.
Dekonseptet med samarbeidende roboterble først introdusert i 1996, med sin designfilosofi som revolusjonerte tradisjonell robotikk ved å muliggjøre koordinerte operasjoner mellom roboter og mennesker på produksjonslinjer. Denne samarbeidende tilnærmingen utnytter ikke bare effektiviteten og presisjonen til roboter, men integrerer også menneskelig intelligens og fleksibilitet, noe som forbedrer driftseffektiviteten og flyten. Sammenlignet med konvensjonelle industriroboter viser samarbeidende roboter distinkte egenskaper, og etablerer seg som en betydelig underkategori innen robotikkfeltet. Både deres fysiske strukturer og kontrollsystemer har gjennomgått betydelige modifikasjoner. Tradisjonelle industriroboter – som robotarmkonfigurasjonene vist i figur 1 – brukes primært i palletering, materialhåndtering, sveising og laserskjæring. Selv om disse robotene har høy stivhet, strukturell stabilitet og sterk bæreevne, har de også begrensninger: relativt stor størrelse og masse, betydelig bevegelsestrighet, store design med dårlig fleksibilitet og manglende evne til å utføre svært smidige monteringsoppgaver. I tillegg utgjør deres betydelige treghetsmomentum og høyhastighetsbevegelser betydelige sikkerhetsrisikoer for personell innenfor deres operasjonsradius, noe som nødvendiggjør drift i lukkede, lukkede områder.
Figur 1 Tradisjonelle industrielle robotarmer og samarbeidende roboter
Samarbeidende roboter muliggjør samtidig drift med mennesker i delte rom og forenkler samhandling på nært hold innenfor samarbeidende soner. Sammenlignet med tradisjonelle robotarmer bærer samarbeidende roboter vanligvis en maksimal belastning på 20 kg på endeeffektoren, med en operasjonell rekkevidde som kan sammenlignes med en menneskelig arms rekkevidde. Strukturen deres er enklere enn konvensjonelle industrielle robotarmer med komplekse overføringsmekanismer, samtidig som de tilbyr sensitiv krafttilbakemelding, lett fleksibilitet og robuste persepsjonsegenskaper. Disse funksjonene lar dem dynamisk justere kraften under menneskelig interaksjon, noe som effektivt forhindrer voldsom skade. Følgelig kan samarbeidende roboter trygt samarbeide med mennesker for å fullføre oppgaver uten å kreve tradisjonelle sikkerhetsbarrierer.
Samarbeidende roboter driver direkte menneskelig kontakt med operasjoner; derfor er sikkerhet et uunnværlig krav i samarbeid mellom menneske og robot. Det er viktig å strengt kontrollere driftskraft og rotasjonsmoment samtidig som man bruker tekniske tiltak som strømstyring, momentkontroll, kontaktsensorer og kollisjonsdeteksjon for å forhindre personskader. De intelligente drivkontrollsystemene til roboter krever også ytterligere optimalisering for sikkerhetsstyring, noe som muliggjør adaptiv, jevn kontroll gjennom dynamiske beregninger og observatørbasert modellering.
I en fersk studie fremhevet International Federation of Robotics (IFR) at fremtidig robotutvikling primært vil vise trender mot enkelhet, brukervennlighet, fleksibilitet og sikkert samarbeid. Industriroboter vil gradvis oppnå høyere nivåer av automatisering og intelligens; deres brukervennlige design vil senke driftsbarrierer, slik at flere bedrifter enkelt kan utnytte robotteknologi for å forbedre produksjonseffektiviteten. Samtidig vil design med fleksibilitet og sikre samarbeidsmuligheter gjøre det mulig for roboter å bedre tilpasse seg mangfoldige og komplekse produksjonsmiljøer, noe som legger til rette for samarbeid mellom menneske og robot og ytterligere fremmer intelligent og effektiv utvikling av industriell produksjon.
Figur 2: Arbeidsområde for den samarbeidende roboten
1.2 Forskningsbetydning
I dagens marked for samarbeidende robotikk foretrekkes roboter med syv frihetsgrader på grunn av sitt omfattende operasjonsområde og fleksibilitet. Disse robotene gir redundante frihetsgrader, noe som gir større potensial for industriell automatisering og smart produksjon. Hver frihetsgrad oppnås gjennom et robotledd, som fungerer som en kritisk faktor for å bestemme robotens ytelse. De fire store produsentene – FANUC, ABB, Yaskawa og KUKA – bruker hver sin egen transmisjonssystemer i sine tradisjonelle industrielle robotarmer. De bruker imidlertid i hovedsak servomotorer parret med koniske tannhjul, sylindriske tannhjul eller synkrone remmer for å overføre kraft til leddene for rotasjon. Disse transmisjonsmetodene begrenser størrelsen på robotleddene. Selv om det er mulig å oppnå høy presisjon, er miniatyrisering fortsatt utfordrende. Som vist i figur 3 krever tradisjonelle industriroboter eksterne kontrollskap som huser motorservodrivere, med en rekke ledninger som kobler hver motor til skapet, og dermed begrenser den fleksible utplasseringen av kontrollsystemer.
Figur 3 Tradisjonell industrirobot og kontrollskap
Gitt at de tradisjonelle leddkonfigurasjonene til industrielle robotarmer ikke lenger kan oppfylle kravene til samarbeidende roboter, har disse leddene forlatt konvensjonelle overføringsmekanismer til fordel for en ny designfilosofi. Denne tilnærmingen fokuserer på å oppnå lette, lavspente og svært integrerte systemer ved å integrere kontrolleren, servodriveren og motoren i selve leddet, med underliggende elektriske tilkoblinger også implementert internt. Bare et minimalt antall kontrollgrensesnitt er eksponert eksternt, noe som forenkler ekstern kabling og reduserer ingeniørkompleksiteten. Et slikt design kalles et integrert ledd.
Gitt dagens utviklingsbehov og trender innen samarbeidende robotledd, er det spesielt viktig å designe et lett, lavspent, svært integrert og høyytelses integrert samarbeidende robotledd. Et slikt integrert ledd inneholder alle viktige komponenter som kreves for leddbevegelse – inkludert aktuatorer, kontrollere, drivere og sensorer – og kan fungere uavhengig som en frittstående modul. Når det er koblet til hovedkontrolleren eller andre moduler via enkle strøm- og kontrollbusser, forbedrer dette svært sammenhengende, men lavkoblingsdesignet skalerbarheten til samarbeidende roboter betydelig. Ved å bruke dette integrerte modulære leddet og pare det med robotarmer og endeeffektorer av passende størrelse, kan samarbeidende roboter som er skreddersydd for ulike krav, enkelt monteres.
Figur 4 Skjematisk diagram av modulkoblingen
Forskning på integrerte ledd for samarbeidende roboter og deres servokontrollsystemer har betydelig betydning for utviklingen av samarbeidende robotikk. Kjerneteknologiene til disse integrerte leddene består av to nøkkelkomponenter: harmoniske reduksjonsbrytere og leddmotorstyringssystemer sammen med tilhørende kontrollalgoritmer. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. fokuserer forskningen sin på leddmotorstyringssystemer for samarbeidende roboter, og gjennomfører grundige studier av leddmotordrift- og kontrollmekanismer. Selskapet utvikler en serie svært intelligente integrerte robotleddmotorprodukter som muliggjør mer fleksible og pålitelige kontrollmuligheter for ledd for samarbeidende roboter, samtidig som de inkluderer kritiske funksjoner som selvoppfatning, intelligent beslutningstaking, fingerferdighet og presis kontroll – og dermed oppfyller kravene til smart utstyrsutvikling.
2 Nåværende forskningsstatus nasjonalt og internasjonalt
I 1956 grunnla den amerikanske fysikeren Joe Engelberger og oppfinneren George Devol et robotfirma ved navn Unimation, som i 1959 utviklet verdens første industrirobot – Unimate.
General Motors tok først i bruk roboter i industriell produksjon ved anlegget sitt i New Jersey i 1961. I 1969 introduserte Japan roboter fra Unimation, og lisensierte senere teknologien til Kawasaki Heavy Industries og det britiske KUKAI Corporation for robotproduksjon i henholdsvis Japan og Storbritannia. Med fremskrittene i Japans bilindustri har et økende antall roboter erstattet menneskelig arbeidskraft i produksjonen, noe som fullt ut demonstrerer deres praktiske verdi. Følgelig har Japan lagt økende vekt på utvikling av industriell robotikk. Med Kawasaki Heavy Industries som pioner innen adopsjon av robotteknologi, etterfulgt av fremveksten av verdenskjente robotikkselskaper som FANUC og Yaskawa, har Japan blitt en av nasjonene som mestrer banebrytende robotteknologi globalt.
I 1973 modifiserte det tyske selskapet KUKA Unimate-roboten for å lage den første roboten med seks frihetsgrader, Famulus, drevet av en elektrisk motor. I 1974 utviklet ASEA (forgjengeren til ABB), et svensk generelt elektroselskap, verdens første helelektriske robot, IRB 6, styrt av en mikroprosessor, noe som forbedret robotintelligensen betydelig. I 1978 distribuerte det USA-baserte Unimation Company sin PUMA-industrirobot i stor grad på General Motors' samlebånd, noe som ytterligere demonstrerte den praktiske anvendeligheten og verdien av industriroboter og markerte den fulle modenheten til industriell robotteknologi, og la dermed et solid grunnlag for senere teknologiske fremskritt.
I løpet av de mer enn fire tiårene med utvikling av industriell robotikk har teknologiske fremskritt vært kontinuerlige. På grunn av sikkerhetshensyn er roboter imidlertid vanligvis festet til spesifikke arbeidsstasjoner og isolert av rekkverk, noe som hindrer dem i å jobbe side om side med mennesker i samme rom. Denne tradisjonelle konfigurasjonen begrenser samarbeid mellom menneske og robot, noe som gjør det vanskelig å oppnå virkelig effektive samarbeidsoperasjoner. Til tross for en rekke forsøk og utforskninger er det fortsatt en stor utfordring å oppnå sikkert samarbeid mellom menneske og robot innen industriell robotikk.
Det var ikke før i 2005 at et stort EU-finansiert prosjekt introduserte konseptet med samarbeidende roboter. Initiativet samlet ledende industrielle robotikkselskaper som ABB, KUKA, Reis, Comau og Gudel for å i fellesskap utvikle en rimelig, kompakt og fleksibel robot spesielt utviklet for små og mellomstore bedrifter, med sikte på å redusere avhengigheten av outsourcing av arbeidskraft. Dette prosjektet fremhevet eksplisitt potensialet i samarbeid mellom menneske og robot, og la et solid grunnlag for konseptet med samarbeidende roboter.
Tidlige samarbeidende roboter var primært modifikasjoner og anvendelser av tradisjonelle industriroboter, uten å fundamentalt endre designfilosofien eller driftsmodusene deres. Siden etableringen i 2005 har Universal Robots vært dedikert til å utvikle samarbeidende roboter som er i stand til å arbeide trygt sammen med menneskelige arbeidere. I 2009 lanserte selskapet UR5 – verdens første samarbeidende robot – som markerte begynnelsen på denne æraen. Deretter introduserte Rethink den dobbeltarmede Baxter og den nye enarmede Sawyer-roboten, og etablerte gradvis samarbeidende robotikk som en anerkjent og akseptert disiplin innen industriell robotikk. Denne utviklingen har gitt ny innsikt og retninger for fremtidig industriell automatisering og intelligent utvikling.
Figur 5: UR5-robot og Sawyer Baxter-robot
Siasun Robot Company, tilknyttet Shenyang Institute of Automation ved det kinesiske vitenskapsakademiet, viste først frem en fleksibel samarbeidende robot med syv akser som representerte Kinas avanserte teknologiske nivå på Industrial Expo i november 2015. Siden den gang har en rekke innenlandske samarbeidende robotmodeller som Luoshi og Aobo gradvis fått anerkjennelse.
Når det gjelder robotledd, ligger den primære forskjellen mellom samarbeidende robotledd og ledd i tradisjonelle tunge industriroboter i deres «fleksibilitet». Denne fleksibiliteten manifesteres gjennom lavere mekanisk stivhet, redusert treghet og evnen til å registrere dreiemoment. For tiden stammer leddfleksibiliteten som brukes i samarbeidende robotarmer primært fra presis posisjonskontroll og dreiemomentkontroll.
Figur 6 Typisk struktur av det integrerte leddet i samarbeidende roboter
En oversikt over aktuell forskning viser at Kinas robotutvikling startet senere enn i land som USA og Japan. Forskning på samarbeidende roboter henger fortsatt betydelig etter eksisterende internasjonale produkter, med viktige flaskehalser i harmoniske reduksjonsbrytere og leddmotorstyringssystemer. Innenlandske samarbeidende roboter har for tiden betydelig rom for forbedring av leddstyringskapasiteter, spesielt når det gjelder kontrollpresisjon og intelligent kontroll. Videre indikerer globale robotforskningstrender at sikkerhet, fleksibilitet og intelligens er dominerende kjennetegn ved teknologisk fremgang. Robotledd utvikler seg mot svært integrerte drivstyringssystemer og større intelligens. Selv om samarbeidende robotledd har gått over fra tradisjonell sentralisert kontroll til distribuerte drivstyringsarkitekturer, utfører de for tiden bare motordrevne handlinger, og mangler evner innen autonom persepsjon, intelligent beslutningstaking og fingerferdighet – noe som resulterer i relativt lave nivåer av intelligens. Det er fortsatt et betydelig potensial for å øke etterspørselen etter intelligente robotsystemer.
Publisert: 22. mai 2026
