Panukiduki sa Integrated Joint Motor Control sa Collaborative Robots

1.1 Kaagi sa Panukiduki

Uban sa paspas nga pag-uswag sa siyensya ug teknolohiya,mga intelihente nga kapabilidadpadayon nga mouswag, nga naghimo sa smart manufacturing nga usa ka nag-unang uso sa pag-uswag sa industriya. Pananglitan, ang datos nga gipagawas sa Ministry of Information Industry sa China nagpakita nga ang domestic smart manufacturing nakab-ot ang talagsaong pagtubo nga 11.6% sa 2023—usa ka pamatuod sa padayon nga paningkamot sa nasud ug teknolohikal nga inobasyon niini nga natad. Dugang pa, ang gidaghanon sa mga inobasyon taliwala sa mga smart manufacturing nga negosyo miusbaw pag-ayo, nga naglangkob sa mga sektor sama sa high-end equipment manufacturing, advanced materials, ug environmental technologies, nga nagpakita sa kalagsik ug dakong pagbag-o sa industriya. Kini nga uso wala lamang nagbag-o sa tradisyonal nga mga pamaagi sa produksiyon sa paggama apan nagpadali usab sa pag-upgrade sa industriya, nga nagpalambo sa kahusayan ug kalidad. Nagkadaghan, ang mga automated production lines ug industrial robots ang nagpuli sa tawhanong trabaho.

Uban sa pag-uswag sapanahon sa intelihente nga paggama, ang mga awtomatiko ug intelihente nga teknolohikal nga bahin sa mga industrial robot hingpit nga nahiuyon sa nagkadako nga panginahanglan sa industriya sa paggama alang sa taas nga katukma, kadali sa operasyon, ug pagka-flexible sa mga proseso sa produksiyon. Kini nagpataas sa ilang kahinungdanon sa paggama, nga naghimo kanila nga usa ka hinungdanon nga kusog nga nagduso sa pagbag-o ug pag-upgrade sa industriya. Ang mga kolaboratibong robot—mga aparato sa industriya nga makahimo sa parehas nga kolaborasyon sa makina-sa-makina ug tawo-robot—mitumaw isip usa ka hinungdanon nga pokus sa panukiduki sa robotics tungod sa ilang awtonomous nga pamatasan ug mga kapabilidad sa kolaborasyon, nga nagpahimutang kanila aron magdula usa ka dominante nga papel sa umaabot nga industrial robotics. Sa teknolohiya sa kolaboratibong robot, ang mga sukatan sa performance sa servo motor—lakip ang katulin sa pagtubag sa torque, katukma sa torque, katukma sa pagposisyon, pagkonsumo sa kuryente, ug kalig-on sa temperatura—direktang nagtino sa kahusayan sa paglihok, kalig-on, ug katukma sa usa ka robot. Isip kinauyokan sa gahum sa mga robot, ang performance sa mga sistema sa servo kritikal nga nakaapekto sa katukma ug kasaligan sa paglihok. Ilabi na, ang hiniusa nga mga servo motor adunay hinungdanon nga papel sa pagkab-ot sa katukma sa pagposisyon. Ang usa ka maayo kaayo nga hiniusa nga servo motor nagsiguro sa tukma nga pagposisyon ug lig-on nga paglihok sa panahon sa komplikado nga mga buluhaton, sa ingon nagpalambo sa kahusayan sa operasyon ug nagpamenos sa mga sayup.

Ang "Ika-14 nga Lima ka Tuig nga Plano alang sa Pagpalambo sa Industriya sa Robot" nagpasiugda sa pag-uswag sa panukiduki sa intelihente nga integrated robotic joints, diin ang ingon nga mga joint labi nga angay alang sa mga collaborative robot. Ang ilang highly integrated nga konsepto sa disenyo naglakip sa nagpahiping mga actuator, sensor, ug mga driver direkta sa joint mismo, nga naghimo sa matag joint nga usa ka standalone control unit. Pinaagi sa pag-optimize sa internal nga istruktura ug layout, ang distributed control architecture mikunhod pag-ayo sa gidaghanon sa mga kable tali sa lainlaing lebel sa sistema, sa ingon nagpaubos sa gasto sa pagmentinar ug nagpalambo sa kinatibuk-ang kasaligan. Ang modular nga disenyo nagpadali usab sa pag-ilis ug pagmentinar sa joint, nga labi nga nagpalambo sa kompetisyon sa merkado sa mga collaborative robot.

Angkonsepto sa mga kolaboratibong robotunang gipaila niadtong 1996, uban sa pilosopiya sa disenyo niini nga nagbag-o sa tradisyonal nga robotics pinaagi sa pagpahimo sa koordinado nga mga operasyon tali sa mga robot ug mga tawo sa mga linya sa produksiyon. Kini nga pamaagi sa kolaborasyon dili lamang naggamit sa kahusayan ug katukma sa mga robot apan naghiusa usab sa paniktik ug pagka-flexible sa tawo, nga nagpalambo sa kahusayan sa operasyon ug pagka-fluid. Kung itandi sa naandan nga mga robot sa industriya, ang mga robot sa kolaborasyon nagpakita og lahi nga mga kinaiya, nga nagtukod sa ilang kaugalingon isip usa ka hinungdanon nga subkategorya sulod sa natad sa robotics. Ang ilang pisikal nga mga istruktura ug mga sistema sa pagkontrol parehong nakaagi sa daghang mga pagbag-o. Ang tradisyonal nga mga robot sa industriya—sama sa mga configuration sa robotic arm nga gihulagway sa Figure 1—panguna nga gigamit sa pag-palletize, pagdumala sa materyal, pag-welding, ug mga aplikasyon sa pagputol sa laser. Samtang kini nga mga robot adunay taas nga rigidity, kalig-on sa istruktura, ug kusog nga kapasidad sa pagdala sa karga, sila adunay usab mga limitasyon: medyo dako nga gidak-on ug masa, hinungdanon nga inertia sa paglihok, dagkong mga disenyo nga adunay dili maayo nga pagka-flexible, ug kawalay katakus sa paghimo sa mga buluhaton sa pag-assemble nga dali kaayo. Dugang pa, ang ilang hinungdanon nga inertial momentum ug high-speed nga mga paglihok naghatag daghang mga peligro sa kaluwasan sa mga personahe sulod sa ilang operational radius, nga nanginahanglan operasyon sulod sa sirado nga mga lugar.

Hulagway 1 Tradisyonal nga mga bukton sa robot nga industriyal ug mga robot nga kolaboratibo

Ang mga kolaboratibong robot makapahimo sa dungan nga operasyon uban sa mga tawo sa gipaambit nga mga luna ug makapasayon ​​sa duol nga interaksyon sulod sa mga kolaboratibong sona. Kon itandi sa tradisyonal nga mga robotic arm, ang mga kolaboratibong robot kasagaran magdala og pinakataas nga karga nga 20 kg sa ilang end effector, nga adunay operational range nga ikatandi sa maabot sa bukton sa tawo. Ang ilang istruktura mas simple kay sa naandan nga industrial robotic arm nga adunay komplikado nga mga mekanismo sa transmission, samtang nagtanyag og sensitibo nga feedback sa puwersa, gaan nga pagka-flexible, ug lig-on nga mga kapabilidad sa persepsyon. Kini nga mga bahin nagtugot kanila sa dinamikong pag-adjust sa puwersa atol sa interaksyon sa tawo, nga epektibong makapugong sa bayolenteng kadaot. Tungod niini, ang mga kolaboratibong robot luwas nga makigtambayayong sa mga tawo aron makompleto ang mga buluhaton nga dili kinahanglan ang tradisyonal nga mga babag sa kaluwasan.

Ang mga kolaboratibong robot nakigbahin sa direktang operasyon sa kontak sa tawo; busa, ang kaluwasan usa ka kinahanglanon sa kolaborasyon sa tawo ug robot. Importante ang estrikto nga pagkontrol sa gahum sa operasyon ug rotational torque samtang naggamit og mga teknikal nga lakang sama sa current control, torque control, contact sensors, ug collision detection aron malikayan ang mga kadaot sa mga personahe. Ang intelihenteng drive control systems sa mga robot nanginahanglan usab og dugang nga pag-optimize alang sa pagdumala sa kaluwasan, nga makapahimo sa adaptive smooth control pinaagi sa dynamic calculations ug observer-based modeling.

Sa usa ka bag-o nga pagtuon, gipasiugda sa International Federation of Robotics (IFR) nga ang umaabot nga pagpalambo sa robot magpakita sa mga uso padulong sa kayano, kadali sa paggamit, pagka-flexible, ug luwas nga kolaborasyon. Ang mga industrial robot anam-anam nga makab-ot ang mas taas nga lebel sa automation ug intelihensiya; ang ilang user-friendly nga disenyo makapakunhod sa mga babag sa operasyon, nga makapahimo sa daghang mga negosyo nga walay kahago nga mogamit sa teknolohiya sa robotics aron mapalambo ang kahusayan sa produksiyon. Samtang, ang mga disenyo nga adunay pagka-flexible ug luwas nga kapabilidad sa kolaborasyon makapahimo sa mga robot nga mas maayo nga mopahiangay sa lainlain ug komplikado nga mga palibot sa produksiyon, nga makapadali sa kolaborasyon sa tawo-robot ug labi nga mapalambo ang intelihente ug episyente nga pag-uswag sa produksiyon sa industriya.

Hulagway 2: Lugar nga gitrabahoan sa kolaboratibong robot

1.2 Kahulugan sa Panukiduki

Sa kasamtangang merkado sa collaborative robotics, ang mga robot nga adunay pito ka degree sa kagawasan gipalabi tungod sa ilang halapad nga operational range ug flexibility. Kini nga mga robot naghatag og dugang nga degree sa kagawasan, nga nagtanyag og mas dako nga potensyal alang sa industrial automation ug smart manufacturing. Ang matag degree sa kagawasan makab-ot pinaagi sa usa ka robotic joint, nga nagsilbing usa ka kritikal nga hinungdan sa pagtino sa robotic performance. Ang upat ka dagkong tiggama—FANUC, ABB, Yaskawa, ug KUKA—matag usa naggamit og managlahing transmission system sa ilang tradisyonal nga industrial robotic arms; bisan pa, sila naggamit og servo motors nga gipares sa bevel gears, spur gears, o synchronous belts aron magpadala og gahum ngadto sa mga lutahan alang sa rotation. Kini nga mga pamaagi sa transmission naglimite sa gidak-on sa robotic joints. Samtang posible ang pagkab-ot sa taas nga precision, ang miniaturization nagpabilin nga mahagiton. Sama sa gipakita sa Figure 3, ang tradisyonal nga industrial robots nanginahanglan og external control cabinets nga adunay motor servo drives, nga adunay daghang mga wire nga nagkonektar sa matag motor ngadto sa cabinet, sa ingon naglimite sa flexible nga pag-deploy sa mga control system.

Hulagway 3 Tradisyonal nga industriyal nga robot ug control cabinet

Tungod kay ang tradisyonal nga mga configuration sa joint sa industrial robotic arms dili na makatubag sa mga kinahanglanon sa collaborative robots, kini nga mga joint mibiya sa conventional transmission mechanisms pabor sa usa ka bag-ong pilosopiya sa disenyo. Kini nga pamaagi nagpunting sa pagkab-ot sa gaan, ubos nga boltahe, ug highly integrated nga mga sistema pinaagi sa pag-integrate sa controller, servo driver, ug motor sulod sa joint mismo, uban ang nagpahiping mga koneksyon sa kuryente nga gipatuman usab sa internal. Gamay ra nga gidaghanon sa mga control interface ang gibutyag sa gawas, nga nagpasimple sa external wiring ug nagpamenos sa pagkakomplikado sa engineering. Ang ingon nga disenyo gitawag nga integrated joint.

Tungod sa kasamtangang mga panginahanglan ug uso sa pag-uswag sa mga collaborative robot joints, ang pagdesinyo og usa ka gaan, ubos-boltahe, taas-ug-performance nga integrated collaborative robot joint labi ka hinungdanon. Ang ingon nga integrated joint naglakip sa tanan nga hinungdanon nga mga sangkap nga gikinahanglan alang sa paglihok sa joint—lakip ang mga actuator, controller, driver, ug sensor—ug mahimong molihok nga independente isip usa ka standalone module. Kung konektado sa main controller o uban pang mga module pinaagi sa yano nga power ug control bus, kini nga taas og cohesive apan ubos-coupling nga disenyo labi nga nagpalambo sa scalability sa mga collaborative robot. Pinaagi sa paggamit niining integrated modular joint ug pagpares niini sa angay nga gidak-on nga robotic arm ug end-effector, ang mga collaborative robot nga gipahaum sa lainlaing mga kinahanglanon dali nga ma-assemble.

Hulagway 4 Eskematikong dayagram sa modular nga sumpay

Ang panukiduki sa integrated joints para sa mga collaborative robot ug sa ilang servo control systems adunay dakong importansya para sa pag-uswag sa collaborative robotics. Ang kinauyokan nga mga teknolohiya niining integrated joints gilangkoban sa duha ka importanteng sangkap: harmonic reducers ug joint motor drive-control systems uban sa ilang katugbang nga control algorithms. Ang Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. nagpunting sa panukiduki niini sa joint motor drive-control systems para sa collaborative robots, nga nagpahigayon og lawom nga mga pagtuon sa joint motor drive ug control mechanisms. Ang kompanya nagpalambo og serye sa mga highly intelligent integrated robot joint motor products nga makapahimo sa mas flexible ug kasaligan nga mga kapabilidad sa pagkontrol para sa collaborative robot joints, samtang naglakip sa mga kritikal nga bahin sama sa self-perception, intelligent decision-making, dexterous execution, ug precise control—sa ingon natubag ang mga panginahanglan sa smart equipment development.

2 Kasamtangang Kahimtang sa Panukiduki sa Lokal ug Internasyonal

Niadtong 1956, ang Amerikanong pisiko nga si Joe Engelberger ug ang imbentor nga si George Devol nagtukod og usa ka kompanya sa robotics nga ginganlag Unimation, nga malampusong nakaugmad sa unang industrial robot sa kalibutan—ang Unimate—niadtong 1959.

Ang General Motors unang migamit og mga robot sa industriyal nga produksiyon sa ilang pasilidad sa New Jersey niadtong 1961. Niadtong 1969, gipaila sa Japan ang mga robot gikan sa Unimation, ug sa ulahi gilisensyahan ang teknolohiya niini ngadto sa Kawasaki Heavy Industries ug sa UK-based nga KUKAI Corporation para sa mga operasyon sa paggama og robot sa Japan ug UK, matag usa. Uban sa pag-uswag sa industriya sa awto sa Japan, nagkadaghan ang mga robot nga mipuli sa trabaho sa tawo sa produksiyon, nga hingpit nga nagpakita sa ilang praktikal nga bili. Tungod niini, ang Japan naghatag og dugang nga gibug-aton sa pagpalambo sa industrial robotics. Sugod sa Kawasaki Heavy Industries isip pioneer sa pagsagop sa teknolohiya sa robot, gisundan sa pagtungha sa mga inila nga kompanya sa robotics sa kalibutan sama sa FANUC ug Yaskawa, ang Japan nahimong usa sa mga nasud nga nag-master sa mga cutting-edge nga teknolohiya sa robotic sa tibuok kalibutan.

Niadtong 1973, giusab sa kompanyang Aleman nga KUKA ang Unimate robot aron mahimo ang unang unom ka degree-of-freedom nga robot, ang Famulus, nga gipadagan sa usa ka electric motor. Niadtong 1974, ang ASEA (ang gisundan sa ABB), usa ka Swedish general electrical company, nagpalambo sa unang hingpit nga electric robot sa kalibutan, ang IRB 6, nga gikontrolar sa usa ka microprocessor, nga nakapauswag pag-ayo sa robotic intelligence. Niadtong 1978, ang Unimation Company nga nakabase sa US kaylap nga nagpakatap sa PUMA industrial robot niini sa mga assembly lines sa General Motors, nga dugang nga nagpakita sa praktikalidad ug bili sa mga industrial robot ug nagtimaan sa hingpit nga pagkahamtong sa teknolohiya sa industrial robotics, sa ingon nagbutang usa ka lig-on nga pundasyon alang sa sunod nga mga pag-uswag sa teknolohiya.

Sulod sa kapin upat ka dekada nga pag-uswag sa industrial robotics, ang mga pag-uswag sa teknolohiya nagpadayon. Bisan pa, tungod sa mga konsiderasyon sa kaluwasan, ang mga robot kasagarang gipahimutang sa piho nga mga workstation ug gilain sa mga guardrail, nga nagpugong kanila sa pagtrabaho nga magkatapad sa mga tawo sa parehas nga wanang. Kini nga tradisyonal nga pagkahan-ay naglimite sa kolaborasyon sa tawo ug robot, nga nagpalisud sa pagkab-ot sa tinuod nga episyente nga mga operasyon sa kooperatiba. Bisan pa sa daghang mga pagsulay ug eksplorasyon, ang pagkab-ot sa luwas nga kolaborasyon sa tawo ug robot nagpabilin nga usa ka dako nga hagit sa natad sa industrial robotics.

Niadtong 2005 pa lang nga usa ka dakong proyekto nga gipondohan sa EU ang nagpaila sa konsepto sa mga collaborative robot. Ang inisyatibo naghiusa sa mga nanguna nga kompanya sa industrial robotics sama sa ABB, KUKA, Reis, Comau, ug Gudel aron magtinabangay sa pagpalambo og usa ka barato, compact, ug flexible nga robot nga espesipikong gidisenyo alang sa gagmay ug medium nga mga negosyo, nga nagtumong sa pagpakunhod sa pagsalig sa labor outsourcing. Kini nga proyekto klaro nga nagpasiugda sa potensyal sa kolaborasyon sa tawo-robot, nga nagbutang ug lig-on nga pundasyon alang sa konsepto sa mga collaborative robot.

Ang mga unang collaborative robot kay mga modification ug application sa tradisyonal nga industrial robots, nga wala giusab ang ilang design philosophy o operational modes. Sukad sa pagkatukod niini niadtong 2005, ang Universal Robots dedikado sa pagpalambo sa mga collaborative robot nga makahimo sa pagtrabaho nga luwas uban sa mga trabahanteng tawo. Niadtong 2009, gilunsad sa kompanya ang UR5—ang unang collaborative robot sa kalibutan—nga nagtimaan sa pagsugod niining panahona. Sunod, gipaila sa Rethink ang dual-arm Baxter ug ang bag-ong single-arm Sawyer robot, nga hinay-hinay nga nagtukod sa collaborative robotics isip usa ka giila ug gidawat nga disiplina sulod sa industrial robotics. Kini nga pag-uswag nakahatag og bag-ong mga panabut ug direksyon alang sa umaabot nga industrial automation ug intelligent development.

Hulagway 5: Robot nga UR5 ug robot nga Sawyer Baxter

Ang Siasun Robot Company, nga kauban sa Shenyang Institute of Automation sa Chinese Academy of Sciences, unang nagpakita sa usa ka seven-axis flexible collaborative robot nga nagrepresentar sa abanteng lebel sa teknolohiya sa China sa Industrial Expo niadtong Nobyembre 2015. Sukad niadto, daghang mga domestic collaborative robot models sama sa Luoshi ug Aobo ang hinay-hinay nga nakakuha og pag-ila.

Mahitungod sa mga robotic joint, ang pangunang kalainan tali sa collaborative robot joints ug sa tradisyonal nga heavy-duty industrial robots anaa sa ilang "flexibility." Kini nga flexibility makita pinaagi sa mas ubos nga mechanical stiffness, pagkunhod sa inertia, ug abilidad sa pag-detect sa torque. Sa pagkakaron, ang joint flexibility nga gigamit sa collaborative robotic arms naggikan sa tukmang position control ug torque control.

Hulagway 6 Kasagarang istruktura sa integrated joint sa mga collaborative robot

Usa ka kinatibuk-ang pagtan-aw sa kasamtangang panukiduki nagpadayag nga ang pag-uswag sa robotics sa China nagsugod nga mas ulahi kaysa sa mga nasud sama sa Estados Unidos ug Japan. Ang panukiduki sa mga collaborative robot nagpabilin gihapon nga layo sa kasamtangang mga internasyonal nga produkto, nga ang mga nag-unang bottleneck anaa sa mga harmonic reducers ug joint motor drive control systems. Ang mga domestic collaborative robots karon adunay igong lugar alang sa pag-uswag sa mga kapabilidad sa joint control, labi na sa mga termino sa katukma sa pagkontrol ug intelihenteng pagkontrol. Dugang pa, ang mga uso sa panukiduki sa robotics sa kalibutan nagpakita nga ang kaluwasan, pagka-flexible, ug paniktik mao ang dominanteng mga kinaiya sa pag-uswag sa teknolohiya. Ang mga joint sa robot nag-uswag padulong sa highly integrated drive-control systems ug mas dako nga paniktik. Bisan kung ang mga collaborative robot joints nagbalhin gikan sa tradisyonal nga sentralisadong pagkontrol ngadto sa distributed drive-control architectures, sila karon nagpatuman lamang sa mga aksyon nga gipadagan sa motor, kulang sa mga kapabilidad sa autonomous perception, intelihenteng paghimo og desisyon, ug dexterous execution—nga miresulta sa medyo ubos nga lebel sa paniktik. Adunay nagpabilin nga dakong potensyal alang sa pagpalapad sa panginahanglan alang sa mga intelihenteng sistema sa robotics.