Tutkimus yhteistyörobottien integroidusta nivelmoottorinohjauksesta

1.1 Tutkimuksen tausta

Tieteen ja teknologian nopean kehityksen myötäälykkäät ominaisuudetjatkavat paranemistaan, mikä tekee älykkäästä valmistuksesta vallitsevan trendin teollisessa kehityksessä. Esimerkiksi Kiinan informaatioteollisuusministeriön julkaisemat tiedot osoittavat, että kotimainen älykäs valmistus saavutti huomattavan 11,6 prosentin kasvun vuonna 2023 – osoitus maan jatkuvista ponnisteluista ja teknologisesta innovaatiosta tällä alalla. Lisäksi älykkäiden valmistusyritysten innovaatioiden määrä on kasvanut merkittävästi, ja se kattaa muun muassa huippulaitteiden valmistuksen, edistyneet materiaalit ja ympäristöteknologiat, mikä heijastaa alan elinvoimaa ja syvällistä muutosta. Tämä trendi ei ole ainoastaan ​​mullistanut perinteisiä valmistusmenetelmiä, vaan myös kiihdyttänyt teollisuuden uudistamista, parantaen sekä tehokkuutta että laatua. Automatisoidut tuotantolinjat ja teollisuusrobotit korvaavat yhä enemmän ihmistyövoimaa.

Edistymisen myötäälykkään valmistuksen aikakausiTeollisuusrobottien pitkälle automatisoidut ja älykkäät teknologiset ominaisuudet vastaavat täydellisesti valmistavan teollisuuden kasvavia vaatimuksia tuotantoprosessien tarkkuudesta, helppokäyttöisyydestä ja joustavuudesta. Tämä on lisännyt niiden merkitystä valmistuksessa ja tehnyt niistä keskeisen voiman teollisen muutoksen ja päivitysten ajajana. Yhteistyörobotit – teollisuuslaitteet, jotka kykenevät sekä koneiden väliseen että ihmisen ja robotin väliseen yhteistyöhön – ovat nousseet keskeiseksi painopisteeksi robotiikkatutkimuksessa autonomisen käyttäytymisensä ja yhteistyökykynsä ansiosta, mikä asettaa ne hallitsevaan rooliin tulevaisuuden teollisuusrobotiikassa. Yhteistyörobottiteknologiassa servomoottorien suorituskykymittarit – mukaan lukien vääntömomentin vasteaika, vääntömomentin tarkkuus, paikannustarkkuus, tehonkulutus ja lämpötilan vakaus – määräävät suoraan robotin liikkeen tehokkuuden, vakauden ja tarkkuuden. Robottien tehon ytimenä servojärjestelmien suorituskyky vaikuttaa kriittisesti liikkeen tarkkuuteen ja luotettavuuteen. Erityisesti nivelservomoottoreilla on keskeinen rooli paikannustarkkuuden saavuttamisessa. Erinomainen nivelservomoottori varmistaa tarkan paikannuksen ja vakaan liikkeen monimutkaisten tehtävien aikana, mikä parantaa toiminnan tehokkuutta ja minimoi virheet.

”Robottiteollisuuden kehityksen 14. viisivuotissuunnitelma” korostaa älykkäiden integroitujen robottiliitosten tutkimuksen edistämistä, ja tällaiset liitokset sopivat erityisesti yhteistyöroboteille. Niiden pitkälle integroitu suunnittelukonsepti sisältää alla olevat toimilaitteet, anturit ja ajurit suoraan itse liitokseen, jolloin jokainen nivel muuttuu itsenäiseksi ohjausyksiköksi. Optimoimalla sisäistä rakennetta ja asettelua hajautettu ohjausarkkitehtuuri vähentää merkittävästi eri järjestelmätasojen välisten kaapeleiden määrää, mikä alentaa ylläpitokustannuksia ja parantaa yleistä luotettavuutta. Modulaarinen rakenne helpottaa myös liitosten vaihtamista ja huoltoa, mikä parantaa merkittävästi yhteistyörobottien kilpailukykyä markkinoilla.

Theyhteistyörobottien käsiteesiteltiin ensimmäisen kerran vuonna 1996, ja sen suunnittelufilosofia mullisti perinteisen robotiikan mahdollistamalla robottien ja ihmisten välisen koordinoidun toiminnan tuotantolinjoilla. Tämä yhteistyöhön perustuva lähestymistapa ei ainoastaan ​​hyödynnä robottien tehokkuutta ja tarkkuutta, vaan myös integroi ihmisen älykkyyden ja joustavuuden parantaen toiminnan tehokkuutta ja sujuvuutta. Perinteisiin teollisuusrobotteihin verrattuna yhteistyöroboteilla on selkeät ominaisuudet, jotka ovat vakiinnuttaneet asemansa merkittävänä alakategoriana robotiikan alalla. Sekä niiden fyysiset rakenteet että ohjausjärjestelmät ovat kokeneet huomattavia muutoksia. Perinteisiä teollisuusrobotteja – kuten kuvassa 1 esitettyjä robottikäsivarsia – käytetään pääasiassa lavaamisessa, materiaalinkäsittelyssä, hitsauksessa ja laserleikkauksessa. Vaikka näillä roboteilla on korkea jäykkyys, rakenteellinen vakaus ja vahva kantavuus, niillä on myös rajoituksia: suhteellisen suuri koko ja massa, merkittävä liikeinertia, kömpelöt mallit ja heikko joustavuus sekä kyvyttömyys suorittaa erittäin ketteriä kokoonpanotehtäviä. Lisäksi niiden huomattava inertialiikemäärä ja nopeat liikkeet aiheuttavat huomattavia turvallisuusriskejä henkilöstölle niiden toimintasäteellä, mikä edellyttää toimintaa suljetuilla suljetuilla alueilla.

Kuva 1 Perinteiset teollisuusrobottikäsivarret ja yhteistyörobotit

Yhteistyörobotit mahdollistavat samanaikaisen toiminnan ihmisten kanssa jaetuissa tiloissa ja helpottavat lähietäisyyden vuorovaikutusta yhteistyöalueilla. Perinteisiin robottikäsivarsiin verrattuna yhteistyörobotit kantavat tyypillisesti enintään 20 kg:n kuorman päätykappaleessaan, ja niiden toiminta-alue on verrattavissa ihmisen käsivarren ulottuvuuteen. Niiden rakenne on yksinkertaisempi kuin perinteisten teollisuusrobottikäsivarsien, ja niissä on monimutkaiset voimansiirtomekanismit, mutta ne tarjoavat herkän voimapalautteen, kevyen ja joustavan rakenteen sekä vankan havaintokyvyn. Näiden ominaisuuksien ansiosta ne voivat säätää voimaa dynaamisesti ihmisten välisten vuorovaikutusten aikana, mikä estää tehokkaasti väkivaltaisia ​​vaurioita. Tämän seurauksena yhteistyörobotit voivat turvallisesti tehdä yhteistyötä ihmisten kanssa tehtävien suorittamiseksi ilman perinteisiä turvaesteitä.

Yhteistyörobotit ovat suorassa kosketuksessa ihmisen kanssa, joten turvallisuus on välttämätön vaatimus ihmisen ja robotin välisessä yhteistyössä. On tärkeää hallita tarkasti käyttötehoa ja pyörimismomenttia samalla, kun käytetään teknisiä toimenpiteitä, kuten virransäätöä, vääntömomentin säätöä, kosketusantureita ja törmäyksen havaitsemista, henkilöstövammojen estämiseksi. Robottien älykkäät käyttöohjausjärjestelmät vaativat myös lisäoptimointia turvallisuuden hallinnan osalta, mikä mahdollistaa mukautuvan ja sujuvan ohjauksen dynaamisten laskelmien ja havaitsijapohjaisen mallinnuksen avulla.

Äskettäisessä tutkimuksessaan International Federation of Robotics (IFR) korosti, että tulevaisuuden robottien kehityksessä nähdään ensisijaisesti trendejä kohti yksinkertaisuutta, helppokäyttöisyyttä, joustavuutta ja turvallista yhteistyötä. Teollisuusrobotit saavuttavat asteittain korkeamman automaation ja älykkyyden tason; niiden käyttäjäystävällinen suunnittelu madaltaa toiminnallisia kynnysarvoja, jolloin useammat yritykset voivat vaivattomasti hyödyntää robotiikkateknologiaa tuotannon tehokkuuden parantamiseksi. Samaan aikaan joustavat ja turvalliset yhteistyöominaisuudet omaavat mallit mahdollistavat robottien paremman sopeutumisen monimuotoisiin ja monimutkaisiin tuotantoympäristöihin, mikä helpottaa ihmisen ja robotin yhteistyötä ja edistää entisestään teollisen tuotannon älykästä ja tehokasta kehitystä.

Kuva 2: Yhteistyörobotin työalue

1.2 Tutkimuksen merkitys

Nykyisillä yhteistyörobotiikan markkinoilla seitsemän vapausasteen robotteja suositaan laajan toiminta-alueensa ja joustavuutensa vuoksi. Nämä robotit tarjoavat redundantteja vapausasteita, mikä lisää potentiaalia teolliseen automaatioon ja älykkääseen valmistukseen. Jokainen vapausaste saavutetaan robottinivelen avulla, joka on ratkaiseva tekijä robotin suorituskyvyn määrittämisessä. Neljä suurinta valmistajaa – FANUC, ABB, Yaskawa ja KUKA – käyttävät kukin erillisiä voimansiirtojärjestelmiä perinteisissä teollisuusrobottikäsivarsissaan. Ne kuitenkin käyttävät pääasiassa servomoottoreita, joihin on yhdistetty kartiopyörästöjä, lieriöpyörästöjä tai synkronihihnoja voiman siirtämiseksi nivelille pyörittämistä varten. Nämä voimansiirtomenetelmät rajoittavat robottinivelten kokoa. Vaikka korkean tarkkuuden saavuttaminen on mahdollista, miniatyrisointi on edelleen haastavaa. Kuten kuvassa 3 on esitetty, perinteiset teollisuusrobotit tarvitsevat ulkoisia ohjauskaappeja, joissa on moottoriservokäytöt, ja lukuisia johtoja, jotka yhdistävät jokaisen moottorin kaappiin, mikä rajoittaa ohjausjärjestelmien joustavaa käyttöönottoa.

Kuva 3 Perinteinen teollisuusrobotti ja ohjauskaappi

Koska teollisuusrobottien käsivarsien perinteiset nivelkonfiguraatiot eivät enää täytä yhteistyörobottien vaatimuksia, näissä nivelissä on hylätty perinteiset voimansiirtomekanismit ja otettu käyttöön uusi suunnittelufilosofia. Tämä lähestymistapa keskittyy kevyiden, matalajännitteisten ja pitkälle integroitujen järjestelmien saavuttamiseen integroimalla ohjain, servomoottori ja moottori itse nivelen sisään, ja alla olevat sähköliitännät toteutetaan myös sisäisesti. Vain minimaalinen määrä ohjausliitäntöjä on näkyvissä ulkoisesti, mikä yksinkertaistaa ulkoista johdotusta ja vähentää suunnittelun monimutkaisuutta. Tällaista rakennetta kutsutaan integroiduksi liitokseksi.

Ottaen huomioon yhteistyörobottien nivelten nykyiset kehitystarpeet ja -trendit, kevyen, matalajännitteisen, erittäin integroidun ja tehokkaan integroidun yhteistyörobottien nivelen suunnittelu on erityisen tärkeää. Tällainen integroitu nivel sisältää kaikki nivelen liikkeelle tarvittavat olennaiset komponentit – mukaan lukien toimilaitteet, ohjaimet, ajurit ja anturit – ja voi toimia itsenäisesti erillisenä moduulina. Kun se on kytketty pääohjaimeen tai muihin moduuleihin yksinkertaisten virta- ja ohjausväylien kautta, tämä erittäin yhtenäinen mutta vähän kytketty rakenne parantaa merkittävästi yhteistyörobottien skaalautuvuutta. Hyödyntämällä tätä integroitua modulaarista niveltä ja yhdistämällä se sopivan kokoisiin robottikäsivarsiin ja pääteefektoreihin, erilaisiin vaatimuksiin räätälöityjä yhteistyörobotteja voidaan helposti koota.

Kuva 4 Modulaarisen liitoksen kaaviokuva

Yhteistyörobottien integroitujen nivelten ja niiden servo-ohjausjärjestelmien tutkimus on erittäin tärkeää yhteistyörobotiikan kehittämisen kannalta. Näiden integroitujen nivelten ydinosa koostuu kahdesta keskeisestä komponentista: harmonisten yliaaltojen alentajista ja nivelmoottorien ohjausjärjestelmistä sekä niitä vastaavista ohjausalgoritmeista. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. keskittyy tutkimuksessaan yhteistyörobottien nivelmoottorien ohjausjärjestelmiin ja tekee perusteellisia tutkimuksia nivelmoottorien käytöstä ja ohjausmekanismeista. Yritys kehittää sarjaa erittäin älykkäitä integroituja robottinivelmoottorituotteita, jotka mahdollistavat joustavammat ja luotettavammat ohjausominaisuudet yhteistyörobottien nivelille ja sisältävät samalla kriittisiä ominaisuuksia, kuten itsehavaintokyvyn, älykkään päätöksenteon, taitavan suorituksen ja tarkan ohjauksen – täyttäen siten älykkäiden laitteiden kehityksen vaatimukset.

2 Tutkimuksen nykytila ​​kotimaassa ja kansainvälisesti

Vuonna 1956 amerikkalainen fyysikko Joe Engelberger ja keksijä George Devol perustivat robotiikkayrityksen nimeltä Unimation, joka kehitti menestyksekkäästi maailman ensimmäisen teollisuusrobotin – Unimaten – vuonna 1959.

General Motors otti ensimmäisen kerran käyttöön robotteja teollisessa tuotannossa New Jerseyn tehtaallaan vuonna 1961. Vuonna 1969 Japani esitteli Unimationin robotteja ja lisensoi myöhemmin teknologiansa Kawasaki Heavy Industriesille ja Isossa-Britanniassa sijaitsevalle KUKAI Corporationille robottien valmistustoimintaan Japanissa ja Isossa-Britanniassa. Japanin autoteollisuuden kehittyessä yhä useammat robotit ovat korvanneet ihmistyövoiman tuotannossa, mikä osoittaa täysin niiden käytännön arvon. Tämän seurauksena Japani on panostanut yhä enemmän teollisuusrobotiikan kehittämiseen. Kawasaki Heavy Industriesista robottiteknologian käyttöönoton edelläkävijänä alkaen ja sitä seuranneista maailmankuuluista robotiikkayrityksistä, kuten FANUC ja Yaskawa, Japanista on tullut yksi maailman huippuluokan robottiteknologioita hallitsevista maista.

Vuonna 1973 saksalainen KUKA-yritys muokkasi Unimate-robottia luodakseen ensimmäisen kuusivapausasteen robotin, sähkömoottorilla toimivan Famuluksen. Vuonna 1974 ruotsalainen yleissähköalan yritys ASEA (ABB:n edeltäjä) kehitti maailman ensimmäisen täysin sähköisen robotin, mikroprosessorin ohjaaman IRB 6:n, mikä paransi merkittävästi robottien älykkyyttä. Vuonna 1978 yhdysvaltalainen Unimation Company otti PUMA-teollisuusrobottinsa laajalti käyttöön General Motorsin kokoonpanolinjoilla, mikä osoitti entisestään teollisuusrobottien käytännöllisyyden ja arvon sekä merkitsi teollisuusrobotiikkateknologian täyttä kypsyyttä ja loi siten vankan pohjan myöhemmille teknologisille edistysaskeleille.

Teollisuusrobotiikan yli neljän vuosikymmenen kehityksen aikana teknologinen kehitys on ollut jatkuvaa. Turvallisuussyistä robotit on kuitenkin tyypillisesti kiinnitetty tiettyihin työasemiin ja eristetty kaiteilla, mikä estää niitä työskentelemästä rinnakkain ihmisten kanssa samassa tilassa. Tämä perinteinen kokoonpano rajoittaa ihmisen ja robotin yhteistyötä, mikä vaikeuttaa todella tehokkaiden yhteistyöoperaatioiden saavuttamista. Lukuisista yrityksistä ja selvityksistä huolimatta turvallisen ihmisen ja robotin yhteistyön saavuttaminen on edelleen merkittävä haaste teollisuusrobotiikan alalla.

Vasta vuonna 2005 merkittävä EU-rahoitteinen projekti esitteli yhteistyörobottien konseptin. Aloite kokosi yhteen johtavat teollisuusrobotiikkayritykset, kuten ABB:n, KUKAn, Reisin, Comaun ja Gudelin, kehittääkseen yhdessä edullisen, kompaktin ja joustavan robotin, joka on erityisesti suunniteltu pienille ja keskisuurille yrityksille ja jonka tavoitteena on vähentää riippuvuutta työvoiman ulkoistamisesta. Tämä projekti korosti nimenomaisesti ihmisen ja robotin yhteistyön potentiaalia ja loi vankan perustan yhteistyörobottien konseptille.

Varhaiset yhteistyörobotit olivat pääasiassa perinteisten teollisuusrobottien muunnelmia ja sovelluksia, ilman että niiden suunnittelufilosofiaa tai toimintatapoja olennaisesti muutettiin. Perustamisestaan ​​vuonna 2005 lähtien Universal Robots on omistautunut kehittämään yhteistyörobotteja, jotka pystyvät työskentelemään turvallisesti ihmisten rinnalla. Vuonna 2009 yritys lanseerasi UR5:n – maailman ensimmäisen yhteistyörobotin – mikä merkitsi tämän aikakauden alkua. Myöhemmin Rethink esitteli kaksikätisen Baxter-robotin ja uuden yksikätisen Sawyer-robotin, mikä vähitellen vakiinnutti yhteistyörobotiikan tunnustetuksi ja hyväksytyksi alaksi teollisuusrobotiikan sisällä. Tämä edistysaskel on tarjonnut uusia näkemyksiä ja suuntia tulevaisuuden teolliselle automaatiolle ja älykkäälle kehitykselle.

Kuva 5: UR5-robotti ja Sawyer Baxter -robotti

Kiinan tiedeakatemian Shenyangin automaatioinstituutin kanssa yhteistyössä toimiva Siasun Robot Company esitteli ensimmäisen kerran seitsemänakselisen joustavan yhteistyörobotin, joka edusti Kiinan edistynyttä teknologista tasoa, teollisuusnäyttelyssä marraskuussa 2015. Sittemmin lukuisat kotimaiset yhteistyörobottimallit, kuten Luoshi ja Aobo, ovat vähitellen saaneet tunnustusta.

Robottiliitosten osalta ensisijainen ero yhteistyörobottien nivelten ja perinteisten raskaiden teollisuusrobottien nivelten välillä on niiden "joustavuus". Tämä joustavuus ilmenee pienempänä mekaanisena jäykkyytenä, pienempänä inertiana ja kykynä havaita vääntömomenttia. Tällä hetkellä yhteistyörobottien käsivarsissa käytettävä nivelten joustavuus perustuu ensisijaisesti tarkasta asennon ja vääntömomentin säädöstä.

Kuva 6. Yhteistyörobottien integroidun nivelen tyypillinen rakenne

Nykytutkimuksen yleiskatsaus paljastaa, että Kiinan robotiikan kehitys alkoi myöhemmin kuin esimerkiksi Yhdysvalloissa ja Japanissa. Yhteistyörobottien tutkimus on edelleen merkittävästi jäljessä olemassa olevista kansainvälisistä tuotteista, ja keskeisiä pullonkauloja ovat harmonisten yliaaltojen vaimentimet ja nivelmoottorikäyttöiset ohjausjärjestelmät. Kotimaisilla yhteistyöroboteilla on tällä hetkellä huomattavasti parantamisen varaa nivelohjausominaisuuksissa, erityisesti ohjaustarkkuuden ja älykkään ohjauksen osalta. Lisäksi maailmanlaajuiset robotiikan tutkimustrendit osoittavat, että turvallisuus, joustavuus ja älykkyys ovat teknologisen kehityksen hallitsevia ominaisuuksia. Robottien nivelet kehittyvät kohti pitkälle integroituja käyttöohjausjärjestelmiä ja suurempaa älykkyyttä. Vaikka yhteistyörobottien nivelet ovat siirtyneet perinteisestä keskitetystä ohjauksesta hajautettuihin käyttöohjausarkkitehtuureihin, ne suorittavat tällä hetkellä vain moottorikäyttöisiä toimintoja, eikä niiltä puutu autonomisen havainnon, älykkään päätöksenteon ja taitavan suorituksen ominaisuuksia, mikä johtaa suhteellisen alhaiseen älykkyystasoon. Älykkäiden robottijärjestelmien kysynnän kasvupotentiaali on edelleen merkittävä.