Fuerschung iwwer integréiert Gelenkmotorsteierung vu kollaborative Roboter

1.1 Fuerschungshannergrond

Mat dem schnelle Fortschrëtt vun der Wëssenschaft an der Technologie,intelligent Fäegkeetensech weider verbesseren, wouduerch d'Smart Manufacturing zu engem dominante Trend an der industrieller Entwécklung gëtt. Zum Beispill weisen Donnéeën, déi vum chinesesche Ministère fir Informatiounsindustrie verëffentlecht goufen, datt d'inlännesch Smart Manufacturing am Joer 2023 e bemierkenswäerte Wuesstem vun 11,6% erreecht huet - e Beweis fir déi dauerhaft Efforte vun der Natioun an technologesch Innovatioun an dësem Beräich. Ausserdeem ass d'Zuel vun Innovatiounen ënner Smart Manufacturing-Entreprisen däitlech an d'Luucht gaangen, a geet iwwer Secteuren wéi d'Produktioun vun High-End-Ausrüstung, fortgeschratt Materialien an Ëmwelttechnologien, wat d'Vitalitéit an déi déifgräifend Transformatioun vun der Industrie reflektéiert. Dësen Trend huet net nëmmen traditionell Produktiounsmethoden revolutionéiert, mä och d'industriell Moderniséierung beschleunegt, wouduerch souwuel d'Effizienz wéi och d'Qualitéit verbessert goufen. Ëmmer méi automatiséiert Produktiounslinnen an Industrieroboter ersetzen d'mënschlech Aarbecht.

Mat dem Fortschrëtt vun derÄra vun der intelligenter Produktioun, déi héich automatiséiert an intelligent technologesch Eegeschafte vun Industrieroboter passen perfekt zu de wuessenden Ufuerderunge vun der Fabrikatiounsindustrie no héijer Präzisioun, einfacher Operatioun a Flexibilitéit an de Produktiounsprozesser. Dëst huet hir Bedeitung an der Fabrikatioun erhéicht, wat se zu enger zentraler Kraaft mécht, déi d'industriell Transformatioun an d'Moderniséierung undreiwt. Kollaborativ Roboter - industriell Apparater, déi souwuel Maschinn-zu-Maschinn wéi och Mënsch-Roboter-Zesummenaarbecht erreechen kënnen - hunn sech wéinst hirem autonome Verhalen a kollaborativen Fäegkeeten als Schlësselfokus an der Robotikfuerschung erausgestallt, wat se positionéiert fir eng dominant Roll an der zukünfteger industrieller Robotik ze spillen. An der kollaborativer Robotertechnologie bestëmmen d'Leeschtungsmetriken vun de Servomotoren - dorënner d'Dréimomentantwortgeschwindegkeet, d'Dréimomentgenauegkeet, d'Positionéierungspräzisioun, den Energieverbrauch an d'Temperaturstabilitéit - direkt d'Beweegungseffizienz, d'Stabilitéit an d'Genauegkeet vun engem Roboter. Als Kraaftkär vu Roboter beaflosst d'Leeschtung vun de Servosystemer entscheedend d'Beweegungspräzisioun an d'Zouverlässegkeet. Besonnesch spillen Gelenkservomotoren eng zentral Roll fir d'Positionéierungsgenauegkeet z'erreechen. En exzellente Gelenkservomotor garantéiert eng präzis Positionéierung a stabil Bewegung während komplexen Aufgaben, wouduerch d'operationell Effizienz verbessert gëtt a Feeler miniméiert ginn.

De "14. Fënnefjoresplang fir d'Entwécklung vun der Roboterindustrie" betount d'Fërderung vun der Fuerschung iwwer intelligent integréiert Robotergelenker, woubäi dës Gelenker besonnesch fir kollaborativ Roboter gëeegent sinn. Hiert héich integréiert Designkonzept integréiert zugronnleeënd Aktuatoren, Sensoren an Treiber direkt an d'Gelenk selwer, wouduerch all Gelenk an eng eegestänneg Steierunitéit verwandelt gëtt. Duerch d'Optimiséierung vun der interner Struktur an dem Layout reduzéiert déi verdeelt Steierarchitektur d'Zuel vun de Kabelen tëscht verschiddene Systemniveauen däitlech, wouduerch d'Ënnerhaltskäschte gesenkt ginn an d'Gesamtzouverlässegkeet verbessert gëtt. Den modulare Design erliichtert och e méi einfache Gelenkerwiessel a Wartung, wat d'Maartkompetitivitéit vu kollaborative Roboter wesentlech erhéicht.

DenKonzept vu kollaborative Robotergouf fir d'éischt am Joer 1996 agefouert, mat senger Designphilosophie, déi déi traditionell Robotik revolutionéiert huet, andeems se koordinéiert Operatiounen tëscht Roboter a Mënschen op Produktiounslinnen erméiglecht huet. Dësen kollaborativen Usaz notzt net nëmmen d'Effizienz a Präzisioun vu Roboter, mä integréiert och mënschlech Intelligenz a Flexibilitéit, wat d'operativ Effizienz a Fluiditéit verbessert. Am Verglach mat konventionellen Industrieroboter weisen kollaborativ Roboter eenzegaarteg Charakteristiken op a stellen sech als eng bedeitend Ënnerkategorie am Robotikberäich fest. Souwuel hir physikalesch Strukturen ewéi och hir Kontrollsystemer hunn substantiell Modifikatioune gemaach. Traditionell Industrieroboter - wéi d'Roboterarmkonfiguratiounen, déi an der Figur 1 duergestallt sinn - gi virun allem am Paletten-, Materialbehandlungs-, Schweess- a Laserschneiden agesat. Wärend dës Roboter eng héich Steifheet, strukturell Stabilitéit a staark Tragkapazitéit hunn, presentéiere se och Aschränkungen: relativ grouss Gréisst a Mass, bedeitend Bewegungsträheet, sperreg Designen mat schlechter Flexibilitéit an Onméiglechkeet, héich agil Montageaufgaben auszeféieren. Zousätzlech stellen hiren substantielle Trägheetsimpuls a seng héich Geschwindegkeetsbeweegunge bedeitend Sécherheetsrisike fir d'Personal an hirem Operatiounsradius duer, wat d'Operatioun a zouenen, zouenen Beräicher néideg mécht.

Figur 1 Traditionell industriell Roboteräerm a kollaborativ Roboter

Kollaborativ Roboter erméiglechen de gläichzäitege Betrib mat Mënschen a gemeinsam benotzte Raim a vereinfachen d'Interaktioun op kuerzer Distanz bannent kollaborativen Zonen. Am Verglach mat traditionelle Roboteräerm droen kollaborativ Roboter typescherweis eng maximal Laascht vun 20 kg op hirem Endeffektor, mat enger Operatiounsreechwäit, déi mat där vun engem mënschlechen Aarm vergläichbar ass. Hir Struktur ass méi einfach wéi déi vu konventionelle industrielle Roboteräerm a bitt komplex Transmissiounsmechanismen, wärend se gläichzäiteg e sensibelt Kraaftfeedback, eng liicht Gewiichtsflexibilitéit a robust Wahrnehmungsfäegkeeten ubidden. Dës Funktiounen erlaben et hinnen, d'Kraaft während mënschlechen Interaktiounen dynamesch unzepassen, wat effektiv hefteg Schied verhënnert. Dofir kënne kollaborativ Roboter sécher mat Mënschen zesummeschaffen, fir Aufgaben ofzeschléissen, ouni datt traditionell Sécherheetsbarrièren néideg sinn.

Kollaborativ Roboter engagéiere sech a direkten Operatiounen a Mënschekontakt; dofir ass Sécherheet eng onverzichtbar Viraussetzung an der Zesummenaarbecht tëscht Mënsch a Roboter. Et ass essentiell, d'Betribsleeschtung an den Dréimoment strikt ze kontrolléieren, wärend technesch Moossname wéi Stroumkontroll, Dréimomentkontroll, Kontaktsensoren a Kollisiounserkennung agesat ginn, fir Verletzunge vu Personal ze vermeiden. Déi intelligent Undriffskontrollsystemer vu Roboter erfuerderen och eng weider Optimiséierung fir d'Sécherheetsmanagement, wat eng adaptiv, flësseg Kontroll duerch dynamesch Berechnungen an Observateurbaséiert Modelléierung erméiglecht.

An enger rezenter Studie huet d'International Federation of Robotics (IFR) ervirgehuewen, datt déi zukünfteg Roboterentwécklung haaptsächlech Tendenzen a Richtung Einfachheet, Benotzerfrëndlechkeet, Flexibilitéit a sécherer Zesummenaarbecht weisen wäert. Industrieroboter wäerten ëmmer méi héich Niveauen vun Automatiséierung an Intelligenz erreechen; hiren benotzerfrëndlechen Design wäert operationell Barrièren erofsetzen, sou datt méi Entreprisen d'Robotiktechnologie ouni Ustrengung notze kënnen, fir d'Produktiounseffizienz ze verbesseren. Gläichzäiteg wäerten Designen mat Flexibilitéit a sécherer Zesummenaarbechtsméiglechkeeten et de Roboter erméiglechen, sech besser un divers a komplex Produktiounsëmfeld unzepassen, wat d'Zesummenaarbecht tëscht Mënsch a Roboter erliichtert an d'intelligent an effizient Entwécklung vun der Industrieproduktioun weider fërdert.

Figur 2: Aarbechtsberäich vum kollaborative Roboter

1.2 FuerschungsBedeitung

Um aktuelle Maart fir kollaborativ Roboter gi Roboter mat siwe Fräiheetsgraden wéinst hirem breede Betribsberäich a Flexibilitéit bevorzugt. Dës Roboter bidden redundant Fräiheetsgraden a bidden e gréissert Potenzial fir industriell Automatiséierung an intelligent Produktioun. All Fräiheetsgrad gëtt duerch e robotergelenk erreecht, wat als e kritesche Faktor fir d'Bestëmmung vun der roboterescher Leeschtung déngt. Déi véier grouss Hiersteller - FANUC, ABB, Yaskawa a KUKA - benotzen all eenzel ënnerschiddlech Transmissiounssystemer an hiren traditionellen industrielle Roboteräerm; awer si benotzen am Fong Servomotoren, déi mat Kegelzahnrad, Zännrad oder Synchronriemen gekoppelt sinn, fir d'Kraaft un d'Gelenker fir d'Rotatioun ze iwwerdroen. Dës Transmissiounsmethoden limitéieren d'Gréisst vun de robotergelenker. Wärend et méiglech ass, eng héich Präzisioun z'erreechen, bleift d'Miniaturiséierung eng Erausfuerderung. Wéi an der Figur 3 gewisen, brauchen traditionell Industrieroboter extern Steierschränke mat Motorservo-Undriff, mat ville Drot, déi all Motor mam Schrank verbannen, wouduerch déi flexibel Asaz vu Steiersystemer limitéiert gëtt.

Figur 3 Traditionellen Industrieroboter a Steierschrank

Well déi traditionell Gelenkkonfiguratioune vun industrielle Roboteräerm net méi den Ufuerderunge vu kollaborative Roboter erfëllen kënnen, hunn dës Gelenker konventionell Transmissiounsmechanismen zugonschte vun enger neier Designphilosophie opginn. Dësen Usaz konzentréiert sech op d'Erreeche vu liichte, niddrege Spannungs- an héich integréierte Systemer andeems de Controller, de Servotreiber an de Motor an der Gelenk selwer integréiert ginn, mat zugronnleeënden elektresche Verbindungen déi och intern implementéiert sinn. Nëmmen eng minimal Zuel vu Kontrollinterfaces sinn extern fräigeluecht, wat d'extern Verkabelung vereinfacht an d'Ingenieurskomplexitéit reduzéiert. Sou en Design gëtt als integréiert Gelenk bezeechent.

Wéinst den aktuellen Entwécklungsbedürfnisser an den Trends a punkto Gelenker fir kollaborativ Roboter ass den Design vun enger liichter, niddreger Spannungs-, héich integréierter an héich performanter integréierter kollaborativer Robotergelenk besonnesch wichteg. Sou eng integréiert Gelenk enthält all wesentlech Komponenten, déi fir d'Gelenkbewegung erfuerderlech sinn - dorënner Aktuatoren, Controller, Treiber a Sensoren - a kann onofhängeg als e Standalone-Modul funktionéieren. Wann se iwwer einfach Stroum- a Kontrollbussen mam Haaptcontroller oder anere Moduler verbonnen ass, verbessert dësen héich kohäsiven awer niddregkopplungsfäegen Design d'Skalierbarkeet vu kollaborative Roboter däitlech. Duerch d'Notzung vun dëser integréierter modulare Gelenk a Kombinatioun mat Roboteräerm an Endeffektoren mat der entspriechender Gréisst, kënnen kollaborativ Roboter, déi op verschidden Ufuerderungen zougeschnidden sinn, einfach zesummegebaut ginn.

Figur 4 Schema vun der modularer Verbindung

D'Fuerschung iwwer integréiert Gelenker fir kollaborativ Roboter an hir Servo-Steiersystemer ass vun grousser Bedeitung fir de Fortschrëtt vun der kollaborativer Robotik. Déi zentral Technologien vun dësen integréierte Gelenker bestinn aus zwou Schlësselkomponenten: harmonesch Reduzéierer a Gelenkmotorundriffssteierungssystemer zesumme mat hiren entspriechenden Kontrollalgorithmen. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. konzentréiert seng Fuerschung op Gelenkmotorundriffssteierungssystemer fir kollaborativ Roboter a féiert detailléiert Studien iwwer Gelenkmotorundriffs- a Kontrollmechanismen duerch. D'Firma entwéckelt eng Serie vun héichintelligenten integréierte Robotergelenkmotorprodukter, déi méi flexibel a zouverlässeg Kontrollméiglechkeeten fir Gelenker vu kollaborative Roboter erméiglechen, wärend se kritesch Funktiounen wéi Selbstwahrnehmung, intelligent Entscheedungsprozess, geschickte Ausféierung a präzis Kontroll integréieren - an doduerch d'Ufuerderunge vun der Entwécklung vu intelligenten Ausrüstungen erfëllen.

2 Aktuellen Fuerschungsstatus am Inland an international

1956 hunn den amerikanesche Physiker Joe Engelberger an den Erfinder George Devol eng Roboterfirma mam Numm Unimation gegrënnt, déi 1959 erfollegräich den éischten Industrieroboter vun der Welt - den Unimate - entwéckelt huet.

General Motors huet 1961 fir d'éischt Roboter an der industrieller Produktioun a senger Anlag zu New Jersey agesat. 1969 huet Japan Roboter vun Unimation agefouert, spéider huet et seng Technologie un Kawasaki Heavy Industries an d'UK KUKAI Corporation fir d'Roboterproduktioun a Japan respektiv Groussbritannien lizenzéiert. Mat dem Fortschrëtt vun der japanescher Automobilindustrie huet eng ëmmer méi grouss Zuel vu Roboter d'mënschlech Aarbecht an der Produktioun ersat, wat hire praktesche Wäert voll a ganz bewisen huet. Dofir huet Japan ëmmer méi Wäert op d'Entwécklung vun industrieller Robotik geluecht. Ugefaange mat Kawasaki Heavy Industries als Pionéier an der Adoptioun vu Robotertechnologie, gefollegt vun der Entstoe vu weltbekannte Roboterfirmen wéi FANUC a Yaskawa, ass Japan zu enger vun de Natiounen ginn, déi weltwäit modern Robotertechnologien beherrschen.

1973 huet déi däitsch Firma KUKA den Unimate Roboter modifizéiert fir den éischte Roboter mat sechs Fräiheetsgraden, de Famulus, ze kreéieren, deen vun engem Elektromotor ugedriwwe gëtt. 1974 huet ASEA (de Virgänger vun ABB), enger schweedescher General Electrical Company, den éischte voll elektresche Roboter vun der Welt, den IRB 6, entwéckelt, deen vun engem Mikroprozessor gesteiert gouf, wat d'Roboterintelligenz däitlech verbessert huet. 1978 huet déi US-amerikanesch Firma Unimation hiren Industrieroboter PUMA op de Montagebande vu General Motors wäit verbreet agesat, wat d'Praktikabilitéit an de Wäert vun Industrieroboter weider demonstréiert huet an déi voll Reife vun der Industrierobotertechnologie markéiert huet, an domat eng solid Basis fir spéider technologesch Fortschrëtter geluecht huet.

Iwwer déi méi wéi véier Joerzéngte vun der Entwécklung vun der industrieller Robotik sinn technologesch Fortschrëtter kontinuéierlech gaangen. Aus Sécherheetsgrënn sinn d'Roboter awer typescherweis op spezifesche Aarbechtsstatiounen fixéiert an duerch Leitplanken isoléiert, sou datt se net niewent Mënschen am selwechte Raum kënne schaffen. Dës traditionell Konfiguratioun limitéiert d'Zesummenaarbecht tëscht Mënsch a Roboter a mécht et schwéier, wierklech effizient kooperativ Operatiounen z'erreechen. Trotz ville Versich an Ermëttlungen bleift d'Erreeche vun enger sécherer Zesummenaarbecht tëscht Mënsch a Roboter eng grouss Erausfuerderung am Beräich vun der industrieller Robotik.

Eréischt 2005 huet e grousst, vun der EU finanzéiert Projet de Konzept vun de kollaborative Roboter agefouert. D'Initiativ huet féierend Industrieroboterfirmen wéi ABB, KUKA, Reis, Comau a Gudel zesummebruecht, fir zesummen e bezuelbare, kompakten a flexible Roboter z'entwéckelen, deen speziell fir kleng a mëttelgrouss Betriber entwéckelt gouf, mat dem Zil, d'Ofhängegkeet vun der Outsourcing vun Aarbechtskräfte ze reduzéieren. Dëse Projet huet explizit de Potenzial vun der Zesummenaarbecht tëscht Mënsch a Roboter ervirgehuewen an domat eng solid Basis fir de Konzept vun de kollaborative Roboter geluecht.

Fréi kollaborativ Roboter ware virun allem Modifikatiounen an Uwendungen vun traditionellen Industrieroboter, ouni hir Designphilosophie oder Operatiounsmodi fundamental ze änneren. Zënter senger Grënnung am Joer 2005 engagéiert sech Universal Robots fir d'Entwécklung vu kollaborative Roboter, déi sécher niewent mënschlechen Aarbechter kënne schaffen. Am Joer 2009 huet d'Firma den UR5 - den éischte kollaborative Roboter vun der Welt - lancéiert, wat den Ufank vun dëser Ära markéiert huet. Duerno huet Rethink den Duebelarm Baxter an den neie Eenarm Sawyer Roboter agefouert, an domat d'kollaborativ Robotik lues a lues als eng unerkannt an akzeptéiert Disziplin an der Industrierobotik etabléiert. Dësen Fortschrëtt huet nei Ablécker a Richtungen fir zukünfteg industriell Automatiséierung an intelligent Entwécklung geliwwert.

Figur 5: UR5 Roboter a Sawyer Baxter Roboter

D'Siasun Robot Company, déi mam Shenyang Institut fir Automatiséierung vun der Chinesescher Akademie vun de Wëssenschaften verbonnen ass, huet am November 2015 op der Industrial Expo fir d'éischt e flexible kollaborative Roboter mat siwen Achsen presentéiert, deen den fortgeschrattenen technologeschen Niveau vu China representéiert. Zënterhier hunn eng Rei national Modeller vu kollaborative Roboter wéi Luoshi an Aobo lues a lues Unerkennung gewonnen.

Wat roboteresch Gelenker ugeet, läit den Haaptunterschied tëscht de Gelenker vu kollaborative Roboter an deene vun traditionelle schwéierlaaschte Industrieroboter an hirer "Flexibilitéit". Dës Flexibilitéit manifestéiert sech duerch eng méi niddreg mechanesch Steifheet, eng reduzéiert Trägheet an d'Fäegkeet, en Dréimoment ze moossen. Aktuell baséiert d'Gelenkflexibilitéit, déi a kollaborative Roboteräerm benotzt gëtt, haaptsächlech op enger präziser Positiounskontroll an Dréimomentkontroll.

Figur 6 Typesch Struktur vum integréierte Gelenk a kollaborative Roboter

En Iwwerbléck iwwer déi aktuell Fuerschung weist, datt d'Entwécklung vu Roboter a China méi spéit ugefaangen huet wéi déi vu Länner wéi den USA a Japan. D'Fuerschung iwwer kollaborativ Roboter läit nach ëmmer däitlech hannert den existente internationale Produkter, mat Schlësselproblemer an den Harmonesch-Reduzéierer a Gelenkmotorundriffssteierungssystemer. Inlands kollaborativ Roboter hunn de Moment e wesentleche Verbesserungspotenzial bei de Gelenksteierungsméiglechkeeten, besonnesch wat d'Steierpräzisioun an d'intelligent Steierung ugeet. Ausserdeem weisen global Fuerschungstrends an der Robotik drop hin, datt Sécherheet, Flexibilitéit an Intelligenz dominant Charakteristike vum technologesche Fortschrëtt sinn. Robotergelenker entwéckele sech a Richtung héich integréiert Undriffssteierungssystemer a méi grousser Intelligenz. Och wann d'Gelenker vu kollaborative Roboter vun der traditioneller zentraliséierter Steierung op verdeelt Undriffssteierungsarchitekturen iwwergaange sinn, féieren se de Moment nëmme motorgedriwwen Aktiounen aus, a feelen u Fäegkeeten an der autonomer Perceptioun, der intelligenter Entscheedungsfindung an der geschickter Ausféierung – wat zu engem relativ niddrege Niveau vun Intelligenz féiert. Et bleift e bedeitende Potenzial fir eng wuessend Nofro fir intelligent Robotersystemer.