1.1 Istraživačka pozadina
S brzim napretkom znanosti i tehnologije,inteligentne sposobnostinastavljaju se poboljšavati, čineći pametnu proizvodnju prevladavajućim trendom u industrijskom razvoju. Na primjer, podaci koje je objavilo kinesko Ministarstvo informacijske industrije pokazuju da je domaća pametna proizvodnja postigla izvanredan rast od 11,6% u 2023. godini - što svjedoči o kontinuiranim naporima nacije i tehnološkim inovacijama u ovom području. Nadalje, broj inovacija među poduzećima pametne proizvodnje značajno je porastao, obuhvaćajući sektore poput proizvodnje vrhunske opreme, naprednih materijala i ekoloških tehnologija, što odražava vitalnost industrije i duboku transformaciju. Ovaj trend ne samo da je revolucionirao tradicionalne metode proizvodnje, već je i ubrzao industrijsku modernizaciju, povećavajući i učinkovitost i kvalitetu. Automatizirane proizvodne linije i industrijski roboti sve više zamjenjuju ljudski rad.
S napretkomdoba inteligentne proizvodnje, visoko automatizirane i inteligentne tehnološke značajke industrijskih robota savršeno se usklađuju s rastućim zahtjevima proizvodne industrije za visokom preciznošću, jednostavnošću rada i fleksibilnošću u proizvodnim procesima. To je povećalo njihov značaj u proizvodnji, čineći ih ključnom silom koja pokreće industrijsku transformaciju i modernizaciju. Kolaborativni roboti - industrijski uređaji sposobni za postizanje suradnje i stroj-stroj i čovjek-robot - pojavili su se kao ključni fokus u istraživanju robotike zbog svog autonomnog ponašanja i kolaborativnih sposobnosti, pozicionirajući ih da igraju dominantnu ulogu u budućoj industrijskoj robotici. U tehnologiji kolaborativnih robota, metrike performansi servo motora - uključujući brzinu odziva momenta, točnost momenta, preciznost pozicioniranja, potrošnju energije i temperaturnu stabilnost - izravno određuju učinkovitost, stabilnost i točnost kretanja robota. Kao jezgra snage robota, performanse servo sustava kritično utječu na preciznost i pouzdanost kretanja. Posebno je važno napomenuti da zglobni servo motori igraju ključnu ulogu u postizanju točnosti pozicioniranja. Izvrstan zglobni servo motor osigurava precizno pozicioniranje i stabilno kretanje tijekom složenih zadataka, čime se povećava operativna učinkovitost i minimiziraju pogreške.
„14. petogodišnji plan za razvoj robotske industrije“ naglašava unapređenje istraživanja inteligentnih integriranih robotskih zglobova, pri čemu su takvi zglobovi posebno prikladni za kolaborativne robote. Njihov visoko integrirani koncept dizajna uključuje temeljne aktuatore, senzore i upravljačke programe izravno u sam zglob, pretvarajući svaki zglob u samostalnu upravljačku jedinicu. Optimizacijom unutarnje strukture i rasporeda, distribuirana upravljačka arhitektura značajno smanjuje broj kabela između različitih razina sustava, čime se smanjuju troškovi održavanja i povećava ukupna pouzdanost. Modularni dizajn također olakšava zamjenu i održavanje zglobova, znatno povećavajući konkurentnost kolaborativnih robota na tržištu.
Thekoncept kolaborativnih robotaprvi put je predstavljen 1996. godine, a njegova filozofija dizajna revolucionirala je tradicionalnu robotiku omogućujući koordinirane operacije između robota i ljudi na proizvodnim linijama. Ovaj kolaborativni pristup ne samo da iskorištava učinkovitost i preciznost robota, već i integrira ljudsku inteligenciju i fleksibilnost, poboljšavajući operativnu učinkovitost i fluidnost. U usporedbi s konvencionalnim industrijskim robotima, kolaborativni roboti pokazuju različite karakteristike, etablirajući se kao značajna podkategorija unutar područja robotike. I njihove fizičke strukture i upravljački sustavi pretrpjeli su značajne promjene. Tradicionalni industrijski roboti - poput konfiguracija robotske ruke prikazanih na slici 1 - prvenstveno se koriste u paletizaciji, rukovanju materijalima, zavarivanju i laserskom rezanju. Iako ovi roboti imaju visoku krutost, strukturnu stabilnost i veliku nosivost, oni također imaju ograničenja: relativno veliku veličinu i masu, značajnu inerciju kretanja, glomazne dizajne sa slabom fleksibilnošću i nemogućnost obavljanja vrlo agilnih zadataka montaže. Osim toga, njihov značajan inercijski moment i brzi pokreti predstavljaju znatne sigurnosne rizike za osoblje unutar njihovog operativnog radijusa, što zahtijeva rad unutar zatvorenih prostora.
Slika 1 Tradicionalne industrijske robotske ruke i kolaborativni roboti
Kolaborativni roboti omogućuju istovremeni rad s ljudima u zajedničkim prostorima i olakšavaju interakciju na maloj udaljenosti unutar kolaborativnih zona. U usporedbi s tradicionalnim robotskim rukama, kolaborativni roboti obično nose maksimalno opterećenje od 20 kg na svom krajnjem efektoru, s operativnim dometom usporedivim s dosegom ljudske ruke. Njihova je struktura jednostavnija od one kod konvencionalnih industrijskih robotskih ruku, a sadrži složene mehanizme prijenosa, a istovremeno nudi osjetljivu povratnu informaciju o sili, laganu fleksibilnost i robusne mogućnosti percepcije. Ove značajke omogućuju im dinamičko prilagođavanje sile tijekom ljudskih interakcija, učinkovito sprječavajući nasilna oštećenja. Posljedično, kolaborativni roboti mogu sigurno surađivati s ljudima kako bi dovršili zadatke bez potrebe za tradicionalnim sigurnosnim barijerama.
Kolaborativni roboti sudjeluju u operacijama izravnog kontakta s ljudima; stoga je sigurnost neizostavan zahtjev u suradnji čovjeka i robota. Bitno je strogo kontrolirati operativnu snagu i rotacijski moment uz korištenje tehničkih mjera poput kontrole struje, kontrole momenta, kontaktnih senzora i otkrivanja sudara kako bi se spriječile ozljede osoblja. Inteligentni sustavi upravljanja pogonom robota također zahtijevaju daljnju optimizaciju za upravljanje sigurnošću, omogućujući adaptivno glatko upravljanje putem dinamičkih izračuna i modeliranja temeljenog na promatračima.
U nedavnoj studiji, Međunarodna federacija za robotiku (IFR) istaknula je da će budući razvoj robota prvenstveno pokazivati trendove prema jednostavnosti, lakoći korištenja, fleksibilnosti i sigurnoj suradnji. Industrijski roboti će postupno postizati više razine automatizacije i inteligencije; njihov dizajn prilagođen korisniku smanjit će operativne barijere, omogućujući većem broju poduzeća da bez napora iskoriste robotsku tehnologiju za povećanje učinkovitosti proizvodnje. U međuvremenu, dizajni s fleksibilnošću i mogućnostima sigurne suradnje omogućit će robotima bolju prilagodbu raznolikim i složenim proizvodnim okruženjima, olakšavajući suradnju čovjeka i robota te dodatno unapređujući inteligentan i učinkovit razvoj industrijske proizvodnje.
Slika 2: Radno područje kolaborativnog robota
1.2 Značaj istraživanja
Na trenutnom tržištu kolaborativne robotike, roboti sa sedam stupnjeva slobode su preferirani zbog svog širokog operativnog raspona i fleksibilnosti. Ovi roboti pružaju redundantne stupnjeve slobode, nudeći veći potencijal za industrijsku automatizaciju i pametnu proizvodnju. Svaki stupanj slobode postiže se robotskim zglobom, koji služi kao ključni faktor u određivanju performansi robota. Četiri glavna proizvođača - FANUC, ABB, Yaskawa i KUKA - koriste različite sustave prijenosa u svojim tradicionalnim industrijskim robotskim rukama; međutim, oni u biti koriste servo motore uparene s konusnim zupčanicima, cilindričnim zupčanicima ili sinkronim remenima za prijenos snage na zglobove za rotaciju. Ove metode prijenosa ograničavaju veličinu robotskih zglobova. Iako je postizanje visoke preciznosti moguće, miniaturizacija ostaje izazovna. Kao što je prikazano na slici 3, tradicionalni industrijski roboti zahtijevaju vanjske upravljačke ormare koji sadrže servo pogone motora, s brojnim žicama koje spajaju svaki motor s ormarom, čime se ograničava fleksibilno postavljanje upravljačkih sustava.
Slika 3 Tradicionalni industrijski robot i upravljački ormar
S obzirom na to da tradicionalne konfiguracije zglobova industrijskih robotskih ruku više ne mogu zadovoljiti zahtjeve kolaborativnih robota, ovi su zglobovi napustili konvencionalne mehanizme prijenosa u korist nove filozofije dizajna. Ovaj pristup usmjeren je na postizanje laganih, niskonaponskih i visoko integriranih sustava integriranjem kontrolera, servo pogona i motora unutar samog zgloba, s temeljnim električnim spojevima koji su također implementirani interno. Samo je minimalan broj upravljačkih sučelja izložen izvana, što pojednostavljuje vanjsko ožičenje i smanjuje složenost inženjeringa. Takav dizajn naziva se integrirani zglob.
S obzirom na trenutne potrebe i trendove razvoja kolaborativnih robotskih zglobova, projektiranje laganog, niskonaponskog, visoko integriranog i visokoučinkovitog integriranog kolaborativnog robotskog zgloba posebno je važno. Takav integrirani zglob uključuje sve bitne komponente potrebne za kretanje zgloba - uključujući aktuatore, kontrolere, upravljačke programe i senzore - i može funkcionirati neovisno kao samostalni modul. Kada je spojen na glavni kontrolere ili druge module putem jednostavnih sabirnica za napajanje i upravljanje, ovaj visoko kohezivan, ali nisko-spojni dizajn značajno poboljšava skalabilnost kolaborativnih robota. Korištenjem ovog integriranog modularnog zgloba i njegovim uparivanjem s robotskim rukama i krajnjim efektorima odgovarajuće veličine, kolaborativni roboti prilagođeni različitim zahtjevima mogu se lako sastaviti.
Slika 4 Shematski dijagram modularnog spoja
Istraživanje integriranih zglobova za kolaborativne robote i njihovih servo upravljačkih sustava ima značajnu važnost za napredak kolaborativne robotike. Temeljne tehnologije ovih integriranih zglobova sastoje se od dvije ključne komponente: harmonijskih reduktora i sustava upravljanja pogonom i upravljanjem zglobnim motorima, zajedno s njihovim odgovarajućim algoritmima upravljanja. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. usmjerava svoja istraživanja na sustave upravljanja pogonom i upravljanjem zglobnim motorima za kolaborativne robote, provodeći dubinske studije o mehanizmima pogona i upravljanja zglobnim motorima. Tvrtka razvija niz visoko inteligentnih integriranih proizvoda zglobnih motora robota koji omogućuju fleksibilnije i pouzdanije mogućnosti upravljanja za kolaborativne robotske zglobove, a istovremeno uključuju kritične značajke poput samopercepcije, inteligentnog donošenja odluka, spretnog izvršenja i precizne kontrole - čime se zadovoljavaju zahtjevi razvoja pametne opreme.
2 Trenutno stanje istraživanja u zemlji i inozemstvu
Godine 1956. američki fizičar Joe Engelberger i izumitelj George Devol osnovali su tvrtku za robotiku pod nazivom Unimation, koja je 1959. uspješno razvila prvog industrijskog robota na svijetu - Unimate.
General Motors je prvi put primijenio robote u industrijskoj proizvodnji u svom pogonu u New Jerseyju 1961. godine. Godine 1969. Japan je uveo robote tvrtke Unimation, a kasnije je licencirao njihovu tehnologiju tvrtkama Kawasaki Heavy Industries i KUKAI Corporation sa sjedištem u Velikoj Britaniji za proizvodne operacije robota u Japanu, odnosno Velikoj Britaniji. S napretkom japanske automobilske industrije, sve veći broj robota zamijenio je ljudski rad u proizvodnji, što je u potpunosti pokazalo njihovu praktičnu vrijednost. Posljedično, Japan je stavio sve veći naglasak na razvoj industrijske robotike. Počevši s Kawasaki Heavy Industries kao pionirom u primjeni robotske tehnologije, a zatim pojavom svjetski poznatih tvrtki za robotiku poput FANUC-a i Yaskawe, Japan je postao jedna od nacija koje globalno ovladavaju najsuvremenijim robotskim tehnologijama.
Godine 1973. njemačka tvrtka KUKA modificirala je robota Unimate kako bi stvorila prvog robota sa šest stupnjeva slobode, Famulus, pokretanog elektromotorom. Godine 1974. ASEA (prethodnik ABB-a), švedska tvrtka za opću elektrotehniku, razvila je prvog potpuno električnog robota na svijetu, IRB 6, kojim upravlja mikroprocesor, značajno poboljšavajući robotsku inteligenciju. Godine 1978. američka tvrtka Unimation široko je primijenila svog industrijskog robota PUMA na montažnim trakama General Motorsa, dodatno demonstrirajući praktičnost i vrijednost industrijskih robota te označavajući punu zrelost tehnologije industrijske robotike, čime je postavljen čvrst temelj za kasniji tehnološki napredak.
Tijekom više od četiri desetljeća razvoja industrijske robotike, tehnološki napredak je bio kontinuiran. Međutim, zbog sigurnosnih razloga, roboti su obično fiksirani na određenim radnim stanicama i izolirani zaštitnim ogradama, što im sprječava rad rame uz rame s ljudima u istom prostoru. Ova tradicionalna konfiguracija ograničava suradnju čovjeka i robota, što otežava postizanje istinski učinkovitih kooperativnih operacija. Unatoč brojnim pokušajima i istraživanjima, postizanje sigurne suradnje čovjeka i robota ostaje glavni izazov u području industrijske robotike.
Tek je 2005. godine veliki projekt financiran od strane EU-a uveo koncept kolaborativnih robota. Inicijativa je okupila vodeće tvrtke za industrijsku robotiku poput ABB-a, KUKA-e, Reisa, Comaua i Gudela kako bi zajednički razvili pristupačnog, kompaktnog i fleksibilnog robota posebno dizajniranog za mala i srednja poduzeća, s ciljem smanjenja ovisnosti o outsourcingu radne snage. Ovaj je projekt izričito istaknuo potencijal suradnje čovjeka i robota, postavljajući čvrste temelje za koncept kolaborativnih robota.
Rani kolaborativni roboti bili su prvenstveno modifikacije i primjene tradicionalnih industrijskih robota, bez temeljne promjene njihove filozofije dizajna ili načina rada. Od svog osnutka 2005. godine, Universal Robots posvećen je razvoju kolaborativnih robota sposobnih za siguran rad uz ljudske radnike. Godine 2009. tvrtka je lansirala UR5 - prvog kolaborativnog robota na svijetu - označavajući početak ove ere. Nakon toga, Rethink je predstavio dvokrakog Baxtera i novog jednokrakog Sawyera, postupno uspostavljajući kolaborativnu robotiku kao priznatu i prihvaćenu disciplinu unutar industrijske robotike. Ovaj napredak pružio je nove uvide i smjernice za buduću industrijsku automatizaciju i inteligentni razvoj.
Slika 5: Robot UR5 i robot Sawyer Baxter
Tvrtka Siasun Robot, povezana s Institutom za automatizaciju Shenyang Kineske akademije znanosti, prvi je put predstavila fleksibilnog kolaborativnog robota sa sedam osi koji predstavlja naprednu tehnološku razinu Kine na Industrijskom sajmu u studenom 2015. Od tada su brojni domaći modeli kolaborativnih robota poput Luoshija i Aoba postupno stekli priznanje.
Što se tiče robotskih zglobova, primarna razlika između zglobova kolaborativnih robota i zglobova tradicionalnih teških industrijskih robota leži u njihovoj „fleksibilnosti“. Ta se fleksibilnost očituje kroz manju mehaničku krutost, smanjenu inerciju i sposobnost osjećanja momenta. Trenutno, fleksibilnost zglobova koja se koristi u kolaborativnim robotskim rukama prvenstveno proizlazi iz precizne kontrole položaja i kontrole momenta.
Slika 6 Tipična struktura integriranog zgloba u kolaborativnim robotima
Pregled trenutnih istraživanja otkriva da je razvoj robotike u Kini započeo kasnije nego u zemljama poput Sjedinjenih Država i Japana. Istraživanje kolaborativnih robota još uvijek značajno zaostaje za postojećim međunarodnim proizvodima, a ključna uska grla leže u harmonijskim reduktorima i sustavima upravljanja zglobnim motornim pogonom. Domaći kolaborativni roboti trenutno imaju značajan prostor za poboljšanje sposobnosti upravljanja zglobovima, posebno u smislu preciznosti upravljanja i inteligentnog upravljanja. Nadalje, globalni trendovi istraživanja robotike pokazuju da su sigurnost, fleksibilnost i inteligencija dominantne karakteristike tehnološkog napretka. Robotski zglobovi razvijaju se prema visoko integriranim sustavima upravljanja pogonom i većoj inteligenciji. Iako su kolaborativni robotski zglobovi prešli s tradicionalne centralizirane kontrole na distribuirane arhitekture upravljanja pogonom, oni trenutno izvršavaju samo motorno pokretane radnje, nedostaju im sposobnosti autonomne percepcije, inteligentnog donošenja odluka i spretnog izvršenja - što rezultira relativno niskim razinama inteligencije. I dalje postoji značajan potencijal za širenje potražnje za inteligentnim robotskim sustavima.
Vrijeme objave: 22. svibnja 2026.
