1.1 Forskningsbakgrund
Med den snabba utvecklingen inom vetenskap och teknik,intelligenta funktionerfortsätter att förbättras, vilket gör smart tillverkning till en rådande trend inom industriell utveckling. Till exempel visar data som släppts av Kinas ministerium för informationsindustri att inhemsk smart tillverkning uppnådde en anmärkningsvärd tillväxt på 11,6 % år 2023 – ett bevis på landets ihållande ansträngningar och tekniska innovation inom detta område. Dessutom har antalet innovationer bland smarta tillverkningsföretag ökat markant och spänner över sektorer som tillverkning av avancerad utrustning, avancerade material och miljöteknik, vilket återspeglar industrins vitalitet och djupgående omvandling. Denna trend har inte bara revolutionerat traditionella tillverkningsmetoder utan också accelererat industriell uppgradering, vilket förbättrar både effektivitet och kvalitet. I allt högre grad ersätter automatiserade produktionslinjer och industrirobotar mänsklig arbetskraft.
Med framstegen avintelligent tillverkningsera, De högautomatiserade och intelligenta tekniska egenskaperna hos industrirobotar överensstämmer perfekt med tillverkningsindustrins växande krav på hög precision, enkel drift och flexibilitet i produktionsprocesser. Detta har ökat deras betydelse inom tillverkning, vilket gör dem till en avgörande kraft som driver industriell omvandling och uppgradering. Samarbetande robotar – industriella enheter som kan uppnå både maskin-till-maskin-samarbete och samarbete mellan människa och robot – har framstått som ett centralt fokus inom robotforskning på grund av deras autonoma beteende och samarbetsförmåga, vilket positionerar dem för att spela en dominerande roll i framtida industriell robotik. Inom samarbetande robotteknik bestämmer servomotorernas prestandamått – inklusive momentresponshastighet, momentnoggrannhet, positioneringsprecision, strömförbrukning och temperaturstabilitet – direkt en robots rörelseeffektivitet, stabilitet och noggrannhet. Som robotarnas kraftkärna påverkar servosystemens prestanda kritiskt rörelseprecisionen och tillförlitligheten. Särskilt gemensamma servomotorer spelar en avgörande roll för att uppnå positioneringsnoggrannhet. En utmärkt gemensam servomotor säkerställer exakt positionering och stabil rörelse under komplexa uppgifter, vilket förbättrar driftseffektiviteten och minimerar fel.
Den "14:e femårsplanen för robotindustrins utveckling" betonar att främja forskningen om intelligenta integrerade robotleder, där sådana leder är särskilt lämpliga för kollaborativa robotar. Deras starkt integrerade designkoncept integrerar underliggande ställdon, sensorer och drivrutiner direkt i själva leden, vilket förvandlar varje led till en fristående styrenhet. Genom att optimera den interna strukturen och layouten minskar den distribuerade styrarkitekturen avsevärt antalet kablar mellan olika systemnivåer, vilket sänker underhållskostnaderna och förbättrar den totala tillförlitligheten. Den modulära designen underlättar också enklare ledbyte och underhåll, vilket avsevärt ökar konkurrenskraften på marknaden för kollaborativa robotar.
Dekonceptet med kollaborativa robotarintroducerades först 1996, med sin designfilosofi som revolutionerade traditionell robotteknik genom att möjliggöra koordinerade operationer mellan robotar och människor på produktionslinjer. Denna samarbetsmetod utnyttjar inte bara robotarnas effektivitet och precision utan integrerar även mänsklig intelligens och flexibilitet, vilket förbättrar driftseffektiviteten och smidigheten. Jämfört med konventionella industrirobotar uppvisar samarbetande robotar distinkta egenskaper och etablerar sig som en betydande underkategori inom robotområdet. Både deras fysiska strukturer och styrsystem har genomgått betydande modifieringar. Traditionella industrirobotar – såsom robotarmkonfigurationerna som visas i figur 1 – används främst inom palletering, materialhantering, svetsning och laserskärning. Även om dessa robotar har hög styvhet, strukturell stabilitet och stark bärförmåga, har de också begränsningar: relativt stor storlek och massa, betydande rörelsetröghet, skrymmande konstruktioner med dålig flexibilitet och oförmåga att utföra mycket agila monteringsuppgifter. Dessutom utgör deras betydande tröghetsmoment och höghastighetsrörelser betydande säkerhetsrisker för personal inom deras operationsradie, vilket kräver drift inom slutna, avgränsade områden.
Figur 1 Traditionella industriella robotarmar och kollaborativa robotar
Samarbetande robotar möjliggör samtidig drift med människor i delade utrymmen och underlättar interaktion på nära håll inom samarbetszoner. Jämfört med traditionella robotarmar bär samarbetande robotar vanligtvis en maximal belastning på 20 kg vid sin ändeffektor, med en räckvidd som är jämförbar med en mänsklig arms räckvidd. Deras struktur är enklare än konventionella industriella robotarmar med komplexa transmissionsmekanismer, samtidigt som de erbjuder känslig kraftåterkoppling, lättviktsflexibilitet och robusta perceptionsfunktioner. Dessa funktioner gör det möjligt för dem att dynamiskt justera kraften under mänsklig interaktion, vilket effektivt förhindrar våldsamma skador. Följaktligen kan samarbetande robotar säkert samarbeta med människor för att slutföra uppgifter utan att kräva traditionella säkerhetsbarriärer.
Samarbetande robotar har direkt mänsklig kontakt; därför är säkerhet ett oumbärligt krav i samarbete mellan människa och robot. Det är viktigt att strikt kontrollera driftseffekt och rotationsmoment samtidigt som tekniska åtgärder som strömstyrning, momentkontroll, kontaktsensorer och kollisionsdetektering används för att förhindra personskador. Robotarnas intelligenta drivsystem kräver också ytterligare optimering för säkerhetshantering, vilket möjliggör adaptiv, smidig styrning genom dynamiska beräkningar och observatörsbaserad modellering.
I en nyligen genomförd studie betonade International Federation of Robotics (IFR) att framtida robotutveckling främst kommer att uppvisa trender mot enkelhet, användarvänlighet, flexibilitet och säkert samarbete. Industrirobotar kommer successivt att uppnå högre nivåer av automatisering och intelligens; deras användarvänliga design kommer att sänka operativa hinder, vilket gör det möjligt för fler företag att enkelt utnyttja robotteknik för att förbättra produktionseffektiviteten. Samtidigt kommer design med flexibilitet och säkra samarbetsmöjligheter att göra det möjligt för robotar att bättre anpassa sig till olika och komplexa produktionsmiljöer, vilket underlättar samarbete mellan människa och robot och ytterligare främjar den intelligenta och effektiva utvecklingen av industriell produktion.
Figur 2: Arbetsområde för den kollaborativa roboten
1.2 Forskningens betydelse
På den nuvarande marknaden för kollaborativa robotar är sju frihetsgradersrobotar föredragna för sitt omfattande driftsområde och flexibilitet. Dessa robotar erbjuder redundanta frihetsgrader, vilket ger större potential för industriell automation och smart tillverkning. Varje frihetsgrad uppnås genom en robotled, som fungerar som en kritisk faktor för att bestämma robotens prestanda. De fyra stora tillverkarna – FANUC, ABB, Yaskawa och KUKA – använder var och en olika transmissionssystem i sina traditionella industriella robotarmar. De använder dock i huvudsak servomotorer i kombination med koniska kugghjul, cylindriska kugghjul eller synkronremmar för att överföra kraft till lederna för rotation. Dessa transmissionsmetoder begränsar storleken på robotlederna. Även om det är möjligt att uppnå hög precision, är miniatyrisering fortfarande en utmaning. Som visas i figur 3 kräver traditionella industrirobotar externa styrskåp som rymmer motorservodrivningar, med många ledningar som ansluter varje motor till skåpet, vilket begränsar den flexibla användningen av styrsystem.
Figur 3 Traditionell industrirobot och styrskåp
Med tanke på att de traditionella ledkonfigurationerna för industriella robotarmar inte längre kan uppfylla kraven från kollaborativa robotar, har dessa leder övergett konventionella transmissionsmekanismer till förmån för en ny designfilosofi. Denna metod fokuserar på att uppnå lätta, lågspännings- och högintegrerade system genom att integrera styrenheten, servodrivaren och motorn i själva leden, med underliggande elektriska anslutningar också implementerade internt. Endast ett minimalt antal styrgränssnitt är exponerade externt, vilket förenklar extern kabeldragning och minskar den tekniska komplexiteten. En sådan design kallas en integrerad led.
Med tanke på de nuvarande utvecklingsbehoven och trenderna inom kollaborativa robotkopplingar är det särskilt viktigt att designa en lätt, lågspännings-, högintegrerad och högpresterande integrerad kollaborativ robotkoppling. En sådan integrerad koppling innehåller alla viktiga komponenter som krävs för ledrörelse – inklusive ställdon, styrenheter, drivenheter och sensorer – och kan fungera oberoende som en fristående modul. När den ansluts till huvudstyrenheten eller andra moduler via enkla ström- och styrbussar, förbättrar denna mycket sammanhängande men ändå lågkopplade design avsevärt skalbarheten hos kollaborativa robotar. Genom att använda denna integrerade modulära koppling och para ihop den med robotarmar och ändeffektorer av lämplig storlek kan kollaborativa robotar som är skräddarsydda för olika krav enkelt monteras.
Figur 4 Schematisk bild av modulkopplingen
Forskning om integrerade leder för kollaborativa robotar och deras servostyrsystem har stor betydelse för utvecklingen av kollaborativ robotik. Kärnteknologierna för dessa integrerade leder består av två nyckelkomponenter: harmoniska reducerare och ledmotorstyrsystem tillsammans med motsvarande styralgoritmer. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. fokuserar sin forskning på ledmotorstyrsystem för kollaborativa robotar och genomför djupgående studier av ledmotordriv- och styrmekanismer. Företaget utvecklar en serie mycket intelligenta integrerade robotledmotorprodukter som möjliggör mer flexibla och tillförlitliga styrfunktioner för kollaborativa robotleder, samtidigt som de integrerar kritiska funktioner som självuppfattning, intelligent beslutsfattande, smidigt utförande och exakt styrning – och därmed möter kraven från smart utrustningsutveckling.
2 Nuvarande forskningsstatus nationellt och internationellt
År 1956 grundade den amerikanske fysikern Joe Engelberger och uppfinnaren George Devol ett robotföretag vid namn Unimation, som framgångsrikt utvecklade världens första industrirobot – Unimate – 1959.
General Motors använde först robotar i industriell produktion vid sin anläggning i New Jersey 1961. År 1969 introducerade Japan robotar från Unimation, och licensierade senare sin teknik till Kawasaki Heavy Industries och det brittiska KUKAI Corporation för robottillverkning i Japan respektive Storbritannien. Med utvecklingen av Japans bilindustri har ett ökande antal robotar ersatt mänsklig arbetskraft i produktionen, vilket fullt ut demonstrerar deras praktiska värde. Följaktligen har Japan lagt allt större vikt vid utveckling av industriell robotik. Med början i Kawasaki Heavy Industries som pionjär inom robotteknik, följt av framväxten av världskända robotföretag som FANUC och Yaskawa, har Japan blivit en av de nationer som behärskar banbrytande robotteknik globalt.
År 1973 modifierade det tyska företaget KUKA Unimate-roboten för att skapa den första roboten med sex frihetsgrader, Famulus, som drivs av en elmotor. År 1974 utvecklade ASEA (föregångaren till ABB), ett svenskt allmänt elföretag, världens första helt elektriska robot, IRB 6, styrd av en mikroprocessor, vilket avsevärt förbättrade robotintelligensen. År 1978 använde det USA-baserade Unimation Company sin industrirobot PUMA i stor utsträckning på General Motors monteringslinjer, vilket ytterligare demonstrerade industrirobotarnas praktiska användbarhet och värde och markerade den industriella robotteknikens fulla mognad, och lade därmed en solid grund för efterföljande tekniska framsteg.
Under de mer än fyra decennierna av utveckling av industriell robotik har de tekniska framstegen varit kontinuerliga. Av säkerhetsskäl är robotar dock vanligtvis fixerade vid specifika arbetsstationer och isolerade av skyddsräcken, vilket hindrar dem från att arbeta sida vid sida med människor i samma utrymme. Denna traditionella konfiguration begränsar samarbetet mellan människa och robot, vilket gör det svårt att uppnå verkligt effektiva samarbetsprocesser. Trots många försök och utforskningar är det fortfarande en stor utmaning inom industriell robotik att uppnå säkert samarbete mellan människa och robot.
Det var inte förrän 2005 som ett stort EU-finansierat projekt introducerade konceptet med kollaborativa robotar. Initiativet sammanförde ledande industrirobotföretag som ABB, KUKA, Reis, Comau och Gudel för att gemensamt utveckla en prisvärd, kompakt och flexibel robot speciellt utformad för små och medelstora företag, i syfte att minska beroendet av arbetskraftsoutsourcing. Detta projekt belyste uttryckligen potentialen i samarbete mellan människa och robot och lade en solid grund för konceptet med kollaborativa robotar.
Tidiga kollaborativa robotar var främst modifieringar och tillämpningar av traditionella industrirobotar, utan att fundamentalt ändra deras designfilosofi eller driftsätt. Sedan starten 2005 har Universal Robots varit dedikerade till att utveckla kollaborativa robotar som kan arbeta säkert tillsammans med mänskliga arbetare. År 2009 lanserade företaget UR5 – världens första kollaborativa robot – vilket markerade början på denna era. Därefter introducerade Rethink den dubbelarmade Baxter och den nya enarmade Sawyer-roboten, vilket gradvis etablerade kollaborativ robotik som en erkänd och accepterad disciplin inom industriell robotik. Denna utveckling har gett nya insikter och riktningar för framtida industriell automation och intelligent utveckling.
Figur 5: UR5-robot och Sawyer Baxter-robot
Siasun Robot Company, anslutet till Shenyang Institute of Automation vid den kinesiska vetenskapsakademin, visade upp för första gången en sjuaxlig flexibel samarbetsrobot som representerar Kinas avancerade tekniska nivå på industrimässan i november 2015. Sedan dess har ett flertal inhemska samarbetsrobotmodeller som Luoshi och Aobo gradvis fått erkännande.
När det gäller robotleder ligger den primära skillnaden mellan kollaborativa robotleder och traditionella tunga industrirobotar i deras "flexibilitet". Denna flexibilitet manifesteras genom lägre mekanisk styvhet, minskad tröghet och förmågan att känna av vridmoment. För närvarande härrör den ledflexibilitet som används i kollaborativa robotarmar främst från exakt positionskontroll och momentkontroll.
Figur 6 Typisk struktur för den integrerade leden i kollaborativa robotar
En översikt över aktuell forskning visar att Kinas robotutveckling började senare än i länder som USA och Japan. Forskningen om kollaborativa robotar ligger fortfarande betydligt efter befintliga internationella produkter, med viktiga flaskhalsar i harmoniska reducerare och gemensamma motorstyrningssystem. Inhemska kollaborativa robotar har för närvarande betydande utrymme för förbättring av gemensamma styrningsfunktioner, särskilt när det gäller styrprecision och intelligent styrning. Dessutom indikerar globala robotforskningstrender att säkerhet, flexibilitet och intelligens är dominerande egenskaper hos tekniska framsteg. Robotleder utvecklas mot starkt integrerade driv- och styrsystem och större intelligens. Även om kollaborativa robotleder har övergått från traditionell centraliserad styrning till distribuerade driv- och styrarkitekturer, utför de för närvarande endast motordrivna handlingar och saknar kapacitet inom autonom uppfattning, intelligent beslutsfattande och skickligt utförande – vilket resulterar i relativt låga intelligensnivåer. Det finns fortfarande en betydande potential för att öka efterfrågan på intelligenta robotsystem.
Publiceringstid: 22 maj 2026
