1.1 Výskumné pozadie
S rýchlym pokrokom vedy a techniky,inteligentné schopnostisa neustále zlepšujú, vďaka čomu sa inteligentná výroba stala prevládajúcim trendom v priemyselnom rozvoji. Napríklad údaje zverejnené čínskym ministerstvom informačného priemyslu ukazujú, že domáca inteligentná výroba dosiahla v roku 2023 pozoruhodný rast o 11,6 % – čo svedčí o trvalom úsilí krajiny a technologických inováciách v tejto oblasti. Okrem toho výrazne vzrástol počet inovácií medzi podnikmi zaoberajúcimi sa inteligentnou výrobou, a to v sektoroch, ako je výroba špičkových zariadení, pokročilé materiály a environmentálne technológie, čo odráža vitalitu a hlbokú transformáciu tohto odvetvia. Tento trend nielenže zrevolucionizoval tradičné výrobné metódy, ale aj urýchlil modernizáciu priemyslu, čím sa zvýšila efektivita aj kvalita. Ľudskú prácu čoraz viac nahrádzajú automatizované výrobné linky a priemyselné roboty.
S pokrokoméra inteligentnej výrobyVysoko automatizované a inteligentné technologické vlastnosti priemyselných robotov dokonale zodpovedajú rastúcim požiadavkám výrobného priemyslu na vysokú presnosť, jednoduchosť ovládania a flexibilitu výrobných procesov. To zvýšilo ich význam vo výrobe a stalo sa kľúčovou silou, ktorá poháňa priemyselnú transformáciu a modernizáciu. Kolaboratívne roboty – priemyselné zariadenia schopné dosiahnuť spoluprácu medzi strojmi aj medzi človekom a robotom – sa vďaka svojmu autonómnemu správaniu a schopnostiam spolupráce stali kľúčovým zameraním výskumu robotiky, čo ich stavia do pozície dominantného hráča v budúcej priemyselnej robotike. V technológii kolaboratívnych robotov priamo určujú metriky výkonu servomotorov – vrátane rýchlosti odozvy krútiaceho momentu, presnosti krútiaceho momentu, presnosti polohovania, spotreby energie a teplotnej stability – účinnosť, stabilitu a presnosť pohybu robota. Ako jadro výkonu robotov má výkon servosystémov kritický vplyv na presnosť a spoľahlivosť pohybu. Kĺbové servomotory zohrávajú kľúčovú úlohu pri dosahovaní presnosti polohovania. Vynikajúci kĺbový servomotor zaisťuje presné polohovanie a stabilný pohyb počas zložitých úloh, čím zvyšuje prevádzkovú efektivitu a minimalizuje chyby.
„14. päťročný plán rozvoja robotického priemyslu“ zdôrazňuje pokrok vo výskume inteligentných integrovaných robotických kĺbov, pričom takéto kĺby sú obzvlášť vhodné pre kolaboratívne roboty. Ich vysoko integrovaný dizajnový koncept zahŕňa základné aktuátory, senzory a ovládače priamo do samotného kĺbu, čím sa každý kĺb mení na samostatnú riadiacu jednotku. Optimalizáciou vnútornej štruktúry a rozloženia distribuovaná architektúra riadenia výrazne znižuje počet káblov medzi rôznymi úrovňami systému, čím sa znižujú náklady na údržbu a zvyšuje celková spoľahlivosť. Modulárny dizajn tiež uľahčuje výmenu a údržbu kĺbov, čím výrazne zvyšuje konkurencieschopnosť kolaboratívnych robotov na trhu.
Ten/Tá/Tokoncept kolaboratívnych robotovbol prvýkrát predstavený v roku 1996 a jeho dizajnová filozofia spôsobila revolúciu v tradičnej robotike tým, že umožnila koordinované operácie medzi robotmi a ľuďmi na výrobných linkách. Tento kolaboratívny prístup nielenže využíva efektivitu a presnosť robotov, ale integruje aj ľudskú inteligenciu a flexibilitu, čím zvyšuje prevádzkovú efektivitu a plynulosť. V porovnaní s konvenčnými priemyselnými robotmi vykazujú kolaboratívne roboty odlišné vlastnosti, čím sa etablovali ako významná podkategória v oblasti robotiky. Ich fyzické štruktúry aj riadiace systémy prešli podstatnými úpravami. Tradičné priemyselné roboty – ako sú konfigurácie robotického ramena znázornené na obrázku 1 – sa používajú predovšetkým v paletizácii, manipulácii s materiálom, zváraní a rezaní laserom. Hoci sa tieto roboty vyznačujú vysokou tuhosťou, štrukturálnou stabilitou a vysokou nosnosťou, majú aj obmedzenia: relatívne veľkú veľkosť a hmotnosť, značnú zotrvačnosť pohybu, objemné konštrukcie so slabou flexibilitou a neschopnosť vykonávať vysoko agilné montážne úlohy. Okrem toho ich značná zotrvačná hybnosť a vysokorýchlostné pohyby predstavujú značné bezpečnostné riziká pre personál v ich operačnom okruhu, čo si vyžaduje prevádzku v uzavretých priestoroch.
Obrázok 1 Tradičné priemyselné robotické ramená a kolaboratívne roboty
Kolaboratívne roboty umožňujú simultánnu prevádzku s ľuďmi v zdieľaných priestoroch a uľahčujú interakciu na blízko v rámci kolaboratívnych zón. V porovnaní s tradičnými robotickými ramenami kolaboratívne roboty zvyčajne nesú maximálne zaťaženie 20 kg na svojom koncovom efektore s operačným dosahom porovnateľným s dosahom ľudskej ruky. Ich štruktúra je jednoduchšia ako u konvenčných priemyselných robotických ramien a vyznačuje sa komplexnými prenosovými mechanizmami a zároveň ponúka citlivú silovú spätnú väzbu, nízku hmotnosť, flexibilitu a robustné schopnosti vnímania. Tieto vlastnosti im umožňujú dynamicky upravovať silu počas ľudských interakcií, čím účinne predchádzajú násilnému poškodeniu. V dôsledku toho môžu kolaboratívne roboty bezpečne spolupracovať s ľuďmi na plnení úloh bez potreby tradičných bezpečnostných bariér.
Kolaboratívne roboty sa zapájajú do operácií s priamym kontaktom s človekom, preto je bezpečnosť pri spolupráci človeka a robota nevyhnutnou požiadavkou. Je nevyhnutné prísne kontrolovať prevádzkový výkon a rotačný krútiaci moment a zároveň využívať technické opatrenia, ako je regulácia prúdu, regulácia krútiaceho momentu, kontaktné senzory a detekcia kolízií, aby sa predišlo zraneniam personálu. Inteligentné systémy riadenia pohonu robotov si tiež vyžadujú ďalšiu optimalizáciu z hľadiska riadenia bezpečnosti, ktorá umožní adaptívne plynulé riadenie prostredníctvom dynamických výpočtov a modelovania založeného na pozorovateľoch.
Medzinárodná federácia robotiky (IFR) v nedávnej štúdii zdôraznila, že budúci vývoj robotov bude vykazovať predovšetkým trendy smerom k jednoduchosti, jednoduchému používaniu, flexibilite a bezpečnej spolupráci. Priemyselné roboty budú postupne dosahovať vyššiu úroveň automatizácie a inteligencie; ich užívateľsky prívetivý dizajn zníži prevádzkové bariéry, čo umožní väčšiemu počtu podnikov bez námahy využívať robotické technológie na zvýšenie efektívnosti výroby. Zároveň dizajny s flexibilitou a možnosťami bezpečnej spolupráce umožnia robotom lepšie sa prispôsobiť rozmanitým a zložitým výrobným prostrediam, čo uľahčí spoluprácu medzi človekom a robotom a ďalej posunie inteligentný a efektívny rozvoj priemyselnej výroby.
Obrázok 2: Pracovná oblasť kolaboratívneho robota
1.2 Význam výskumu
Na súčasnom trhu s kolaboratívnou robotikou sú roboty so siedmimi stupňami voľnosti uprednostňované pre svoj široký prevádzkový rozsah a flexibilitu. Tieto roboty poskytujú redundantné stupne voľnosti, čo ponúka väčší potenciál pre priemyselnú automatizáciu a inteligentnú výrobu. Každý stupeň voľnosti sa dosahuje prostredníctvom robotického kĺbu, ktorý slúži ako kritický faktor pri určovaní výkonu robota. Štyria hlavní výrobcovia – FANUC, ABB, Yaskawa a KUKA – používajú vo svojich tradičných priemyselných robotických ramenách odlišné prenosové systémy; v podstate však využívajú servomotory spárované s kužeľovými ozubenými kolesami, čelnými ozubenými kolesami alebo synchrónnymi remeňmi na prenos výkonu do kĺbov pre rotáciu. Tieto spôsoby prenosu obmedzujú veľkosť robotických kĺbov. Hoci je možné dosiahnuť vysokú presnosť, miniaturizácia zostáva náročná. Ako je znázornené na obrázku 3, tradičné priemyselné roboty vyžadujú externé rozvádzacie skrine, v ktorých sú umiestnené servopohony motora, s množstvom vodičov pripájajúcich každý motor k skrini, čo obmedzuje flexibilné nasadenie riadiacich systémov.
Obrázok 3 Tradičný priemyselný robot a rozvádzacia skrinka
Vzhľadom na to, že tradičné konfigurácie kĺbov priemyselných robotických ramien už nedokážu spĺňať požiadavky kolaboratívnych robotov, tieto kĺby opustili konvenčné prenosové mechanizmy v prospech novej filozofie dizajnu. Tento prístup sa zameriava na dosiahnutie ľahkých, nízkonapäťových a vysoko integrovaných systémov integráciou ovládača, servopohonu a motora do samotného kĺbu, pričom interne sú implementované aj základné elektrické pripojenia. Iba minimálny počet ovládacích rozhraní je odkrytý zvonku, čo zjednodušuje externé zapojenie a znižuje technickú zložitosť. Takýto dizajn sa označuje ako integrovaný kĺb.
Vzhľadom na súčasné potreby a trendy vývoja v oblasti kolaboratívnych robotických kĺbov je obzvlášť dôležité navrhnúť ľahký, nízkonapäťový, vysoko integrovaný a vysoko výkonný integrovaný kolaboratívny robotický kĺb. Takýto integrovaný kĺb obsahuje všetky základné komponenty potrebné pre pohyb kĺbu – vrátane akčných členov, ovládačov, budičov a senzorov – a môže fungovať nezávisle ako samostatný modul. Po pripojení k hlavnému ovládaču alebo iným modulom prostredníctvom jednoduchých napájacích a riadiacich zberníc tento vysoko súdržný, ale zároveň nízkoprepojovací dizajn výrazne zvyšuje škálovateľnosť kolaboratívnych robotov. Využitím tohto integrovaného modulárneho kĺbu a jeho spárovaním s robotickými ramenami a koncovými efektormi vhodnej veľkosti je možné ľahko zostaviť kolaboratívne roboty prispôsobené rôznym požiadavkám.
Obrázok 4 Schematický diagram modulárneho spoja
Výskum integrovaných kĺbov pre kolaboratívne roboty a ich servoriadiacich systémov má značný význam pre pokrok kolaboratívnej robotiky. Základné technológie týchto integrovaných kĺbov pozostávajú z dvoch kľúčových komponentov: harmonických reduktorov a kĺbových systémov riadenia motora spolu s ich zodpovedajúcimi riadiacimi algoritmami. Spoločnosť Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. sa zameriava na kĺbové systémy riadenia motora pre kolaboratívne roboty a vykonáva hĺbkové štúdie kĺbových pohonov motora a riadiacich mechanizmov. Spoločnosť vyvíja sériu vysoko inteligentných integrovaných produktov pre kĺbové motory robotov, ktoré umožňujú flexibilnejšie a spoľahlivejšie ovládacie možnosti pre kolaboratívne robotické kĺby a zároveň zahŕňajú kritické funkcie, ako je sebapoznávanie, inteligentné rozhodovanie, obratné vykonávanie a presné ovládanie, čím spĺňajú požiadavky vývoja inteligentných zariadení.
2 Súčasný stav výskumu na domácej a medzinárodnej úrovni
V roku 1956 založili americký fyzik Joe Engelberger a vynálezca George Devol robotickú spoločnosť s názvom Unimation, ktorá v roku 1959 úspešne vyvinula prvého priemyselného robota na svete – Unimate.
Spoločnosť General Motors prvýkrát nasadila roboty v priemyselnej výrobe vo svojom závode v New Jersey v roku 1961. V roku 1969 Japonsko zaviedlo roboty od spoločnosti Unimation a neskôr licencovalo jej technológiu spoločnostiam Kawasaki Heavy Industries a KUKAI Corporation so sídlom v Spojenom kráľovstve na výrobu robotov v Japonsku a Spojenom kráľovstve. S rozvojom japonského automobilového priemyslu čoraz viac robotov nahrádza ľudskú prácu vo výrobe, čo plne preukázalo ich praktickú hodnotu. V dôsledku toho Japonsko kladie čoraz väčší dôraz na vývoj priemyselnej robotiky. Počnúc spoločnosťou Kawasaki Heavy Industries ako priekopníkom v zavádzaní robotických technológií, po ktorej nasledoval vznik svetoznámych robotických spoločností ako FANUC a Yaskawa, sa Japonsko stalo jednou z krajín, ktoré ovládajú špičkové robotické technológie na celom svete.
V roku 1973 nemecká spoločnosť KUKA upravila robota Unimate a vytvorila prvého robota so šiestimi stupňami voľnosti, Famulus, poháňaného elektromotorom. V roku 1974 vyvinula spoločnosť ASEA (predchodca spoločnosti ABB), švédska spoločnosť zaoberajúca sa všeobecnou elektrotechnikou, prvého plne elektrického robota na svete, IRB 6, riadeného mikroprocesorom, čím výrazne zlepšila robotickú inteligenciu. V roku 1978 spoločnosť Unimation so sídlom v USA široko nasadila svojho priemyselného robota PUMA na montážne linky spoločnosti General Motors, čím ďalej demonštrovala praktickosť a hodnotu priemyselných robotov a označila plnú zrelosť technológie priemyselnej robotiky, čím položila pevný základ pre následný technologický pokrok.
Počas viac ako štyroch desaťročí vývoja priemyselnej robotiky prebiehal technologický pokrok nepretržite. Z bezpečnostných dôvodov sú však roboty zvyčajne upevnené na špecifických pracovných staniciach a izolované zábradlím, čo im bráni v práci bok po boku s ľuďmi v rovnakom priestore. Táto tradičná konfigurácia obmedzuje spoluprácu medzi človekom a robotom, čo sťažuje dosiahnutie skutočne efektívnych kooperatívnych operácií. Napriek početným pokusom a výskumom zostáva dosiahnutie bezpečnej spolupráce medzi človekom a robotom hlavnou výzvou v oblasti priemyselnej robotiky.
Až v roku 2005 predstavil rozsiahly projekt financovaný EÚ koncept kolaboratívnych robotov. Táto iniciatíva spojila popredné spoločnosti zaoberajúce sa priemyselnou robotikou, ako sú ABB, KUKA, Reis, Comau a Gudel, aby spoločne vyvinuli cenovo dostupného, kompaktného a flexibilného robota špeciálne navrhnutého pre malé a stredné podniky s cieľom znížiť závislosť od outsourcingu pracovnej sily. Tento projekt výslovne zdôraznil potenciál spolupráce človeka a robota a položil pevný základ pre koncept kolaboratívnych robotov.
Rané kolaboratívne roboty boli primárne modifikáciami a aplikáciami tradičných priemyselných robotov bez zásadnej zmeny ich konštrukčnej filozofie alebo prevádzkových režimov. Od svojho založenia v roku 2005 sa spoločnosť Universal Robots venuje vývoju kolaboratívnych robotov schopných bezpečne pracovať po boku ľudských pracovníkov. V roku 2009 spoločnosť uviedla na trh UR5 – prvého kolaboratívneho robota na svete – čím znamenala začiatok tejto éry. Spoločnosť Rethink následne predstavila dvojramenného robota Baxter a nového jednoramenného robota Sawyer, čím postupne etablovala kolaboratívnu robotiku ako uznávanú a akceptovanú disciplínu v rámci priemyselnej robotiky. Tento pokrok poskytol nové poznatky a smery pre budúcu priemyselnú automatizáciu a inteligentný vývoj.
Obrázok 5: Robot UR5 a robot Sawyer Baxter
Spoločnosť Siasun Robot Company, ktorá je pridružená k Shenyangskému inštitútu automatizácie Čínskej akadémie vied, prvýkrát predstavila sedemosového flexibilného kolaboratívneho robota, ktorý reprezentoval pokročilú technologickú úroveň Číny, na priemyselnej výstave v novembri 2015. Odvtedy si postupne získali uznanie početné domáce modely kolaboratívnych robotov, ako napríklad Luoshi a Aobo.
Pokiaľ ide o robotické kĺby, hlavný rozdiel medzi kĺbmi kolaboratívnych robotov a kĺbmi tradičných vysokovýkonných priemyselných robotov spočíva v ich „flexibilite“. Táto flexibilita sa prejavuje nižšou mechanickou tuhosťou, zníženou zotrvačnosťou a schopnosťou snímať krútiaci moment. V súčasnosti flexibilita kĺbov používaná v kolaboratívnych robotických ramenách pramení predovšetkým z presného riadenia polohy a riadenia krútiaceho momentu.
Obrázok 6 Typická štruktúra integrovaného kĺbu v kolaboratívnych robotoch
Prehľad súčasného výskumu ukazuje, že vývoj robotiky v Číne začal neskôr ako v krajinách ako Spojené štáty a Japonsko. Výskum kolaboračných robotov stále výrazne zaostáva za existujúcimi medzinárodnými produktmi, pričom kľúčové úzke miesta spočívajú v harmonických reduktoroch a systémoch riadenia kĺbových motorových pohonov. Domáce kolaboratívne roboty majú v súčasnosti značný priestor na zlepšenie schopností riadenia kĺbov, najmä pokiaľ ide o presnosť riadenia a inteligentné riadenie. Globálne trendy výskumu robotiky navyše naznačujú, že bezpečnosť, flexibilita a inteligencia sú dominantnými charakteristikami technologického pokroku. Robotické kĺby sa vyvíjajú smerom k vysoko integrovaným systémom riadenia pohonu a väčšej inteligencii. Hoci kolaboratívne robotické kĺby prešli z tradičného centralizovaného riadenia na distribuované architektúry riadenia pohonu, v súčasnosti vykonávajú iba motoricky riadené činnosti a chýbajú im schopnosti autonómneho vnímania, inteligentného rozhodovania a obratného vykonávania, čo vedie k relatívne nízkej úrovni inteligencie. Stále existuje značný potenciál pre rastúci dopyt po inteligentných robotických systémoch.
Čas uverejnenia: 22. mája 2026
