1.1 Uurimistöö taust
Teaduse ja tehnoloogia kiire arengugaintelligentsed võimedjätkuvalt paranema, muutes nutika tootmise tööstusarengus valdavaks trendiks. Näiteks Hiina infotööstuse ministeeriumi avaldatud andmed näitavad, et kodumaine nutikas tootmine saavutas 2023. aastal märkimisväärse 11,6% kasvu – see on tunnistus riigi püsivatest pingutustest ja tehnoloogilisest innovatsioonist selles valdkonnas. Lisaks on nutikate tootmisettevõtete innovatsioonide arv märkimisväärselt kasvanud, hõlmates selliseid sektoreid nagu tipptasemel seadmete tootmine, täiustatud materjalid ja keskkonnatehnoloogiad, peegeldades tööstuse elujõudu ja põhjalikku ümberkujundamist. See suundumus pole mitte ainult muutnud traditsioonilisi tootmismeetodeid, vaid kiirendanud ka tööstuse uuendamist, parandades nii tõhusust kui ka kvaliteeti. Üha enam asendavad automatiseeritud tootmisliinid ja tööstusrobotid inimtööjõudu.
Koos edenemisegaintelligentse tootmise ajastuTööstusrobotite kõrgelt automatiseeritud ja intelligentsed tehnoloogilised omadused vastavad ideaalselt tootmistööstuse kasvavatele nõudmistele suure täpsuse, töö lihtsuse ja paindlikkuse järele tootmisprotsessides. See on suurendanud nende tähtsust tootmises, muutes need tööstusliku ümberkujundamise ja uuendamise keskseks jõuks. Koostöörobotid – tööstusseadmed, mis on võimelised saavutama nii masinatevahelist kui ka inimese ja roboti koostööd – on oma autonoomse käitumise ja koostöövõime tõttu tõusnud robootikauuringute keskmesse, mis annab neile tulevases tööstusrobotis domineeriva rolli. Koostöörobotite tehnoloogias määravad servomootori jõudlusnäitajad – sealhulgas pöördemomendi reageerimiskiirus, pöördemomendi täpsus, positsioneerimistäpsus, energiatarve ja temperatuuri stabiilsus – otseselt roboti liikumise efektiivsuse, stabiilsuse ja täpsuse. Robotite jõuallikana mõjutab servosüsteemide jõudlus kriitiliselt liikumise täpsust ja töökindlust. Märkimisväärselt mängivad liigendservomootorid positsioneerimistäpsuse saavutamisel keskset rolli. Suurepärane liigendservomootor tagab täpse positsioneerimise ja stabiilse liikumise keerukate ülesannete ajal, suurendades seeläbi töö efektiivsust ja minimeerides vigu.
„14. viisaastaku plaan robotitööstuse arendamiseks“ rõhutab intelligentsete integreeritud robotliidete uurimistöö edendamist, kusjuures sellised liited sobivad eriti hästi koostöörobotite jaoks. Nende integreeritud disainikontseptsioon hõlmab alusmehhanisme, andureid ja draivereid otse liite enda sees, muutes iga liite eraldiseisvaks juhtseadmeks. Sisemise struktuuri ja paigutuse optimeerimise abil vähendab hajutatud juhtimisarhitektuur oluliselt kaablite arvu erinevate süsteemitasandite vahel, vähendades seeläbi hoolduskulusid ja suurendades üldist töökindlust. Modulaarne disain hõlbustab ka liitekohtade lihtsamat asendamist ja hooldust, suurendades oluliselt koostöörobotite turukonkurentsivõimet.
Seekoostöörobotite kontseptsioonvõeti esmakordselt kasutusele 1996. aastal ning selle disainifilosoofia muutis traditsioonilist robootikat revolutsiooniliselt, võimaldades robotite ja inimeste koordineeritud toiminguid tootmisliinidel. See koostööl põhinev lähenemisviis mitte ainult ei kasuta ära robotite tõhusust ja täpsust, vaid integreerib ka inimese intelligentsust ja paindlikkust, suurendades tegevuse efektiivsust ja sujuvust. Võrreldes tavapäraste tööstusrobotitega on koostöörobotidel erinevad omadused, mis on loonud endale olulise alamkategooria robootika valdkonnas. Nii nende füüsiline struktuur kui ka juhtimissüsteemid on läbinud olulisi muudatusi. Traditsioonilisi tööstusroboteid – nagu joonisel 1 kujutatud robotkäe konfiguratsioonid – kasutatakse peamiselt kaubaaluste pakkimisel, materjalide käitlemisel, keevitamisel ja laserlõikusrakendustes. Kuigi neil robotitel on suur jäikus, konstruktsiooniline stabiilsus ja tugev kandevõime, on neil ka piirangud: suhteliselt suur suurus ja mass, märkimisväärne liikumisinerts, mahukad konstruktsioonid halva paindlikkusega ning suutmatus täita väga agiilseid montaažiülesandeid. Lisaks kujutavad nende märkimisväärne inertsiaalmoment ja kiired liikumised endast märkimisväärset ohutusriski personalile nende tööraadiuses, mistõttu on vaja tegutseda suletud suletud aladel.
Joonis 1 Traditsioonilised tööstuslikud robotkäed ja koostöörobotid
Koostöörobotid võimaldavad inimestega samaaegset töötamist jagatud ruumides ja hõlbustavad lähivõitlust koostöötsoonides. Võrreldes traditsiooniliste robotkätega kannavad koostöörobotid oma efektorotteril tavaliselt maksimaalselt 20 kg koormust ning nende tööulatus on võrreldav inimese käe ulatusega. Nende konstruktsioon on tavapärastest tööstusrobotkätest lihtsam, pakkudes keerukaid ülekandemehhanisme, tundlikku jõu tagasisidet, kerget paindlikkust ja tugevat taju. Need omadused võimaldavad neil inimestega suhtlemise ajal jõudu dünaamiliselt reguleerida, ennetades tõhusalt vägivaldseid kahjustusi. Järelikult saavad koostöörobotid inimestega ohutult koostööd teha, et täita ülesandeid ilma traditsiooniliste ohutustõketeta.
Koostöörobotid osalevad otseses inimesega kontaktis toimingutes; seetõttu on ohutus inimese ja roboti koostöös hädavajalik nõue. Oluline on rangelt kontrollida töövõimsust ja pöördemomenti, kasutades samal ajal tehnilisi meetmeid, nagu voolutugevuse juhtimine, pöördemomendi juhtimine, kontaktandurid ja kokkupõrke tuvastamine, et vältida personali vigastusi. Robotite intelligentsed ajami juhtimissüsteemid vajavad samuti ohutuse haldamiseks edasist optimeerimist, võimaldades adaptiivset sujuvat juhtimist dünaamiliste arvutuste ja vaatlejapõhise modelleerimise abil.
Hiljutises uuringus tõi Rahvusvaheline Robootika Föderatsioon (IFR) esile, et tulevase robotite arendamisel on peamiselt suundumused lihtsuse, kasutusmugavuse, paindlikkuse ja ohutu koostöö suunas. Tööstusrobotid saavutavad järk-järgult kõrgema automatiseerimise ja intelligentsuse taseme; nende kasutajasõbralik disain vähendab tegevusalaseid takistusi, võimaldades rohkematel ettevõtetel robootikatehnoloogiat vaevata tootmise efektiivsuse suurendamiseks ära kasutada. Samal ajal võimaldavad paindlikkuse ja ohutu koostöövõimalustega disainid robotitel paremini kohaneda mitmekesiste ja keerukate tootmiskeskkondadega, hõlbustades inimese ja roboti koostööd ning edendades veelgi tööstusliku tootmise intelligentset ja tõhusat arengut.
Joonis 2: Koostööroboti tööpiirkond
1.2 Uurimistöö olulisus
Praeguses koostöörobotite turul eelistatakse seitsme vabadusastmega roboteid nende laia tööulatuse ja paindlikkuse tõttu. Need robotid pakuvad redundantseid vabadusastmeid, mis annab suurema potentsiaali tööstusautomaatikaks ja nutikaks tootmiseks. Iga vabadusaste saavutatakse robotliigendi kaudu, mis on roboti jõudluse määramisel kriitilise tähtsusega tegur. Neli peamist tootjat – FANUC, ABB, Yaskawa ja KUKA – kasutavad oma traditsioonilistes tööstusrobotite kätes erinevaid ülekandesüsteeme; aga nad kasutavad pöörlemiseks vajalike liigeste jõu edastamiseks peamiselt servomootoreid, mis on ühendatud kaldhammasrataste, silinderhammasrataste või sünkroonrihmadega. Need ülekandemeetodid piiravad robotliigendite suurust. Kuigi suure täpsuse saavutamine on võimalik, on miniaturiseerimine endiselt keeruline. Nagu joonisel 3 näidatud, vajavad traditsioonilised tööstusrobotid väliseid juhtkappe, mis sisaldavad mootori servoajameid, ja arvukalt juhtmeid, mis ühendavad iga mootorit kapiga, piirates seeläbi juhtimissüsteemide paindlikku juurutamist.
Joonis 3 Traditsiooniline tööstusrobot ja juhtkapp
Arvestades, et tööstuslike robotkäte traditsioonilised liigendikonfiguratsioonid ei vasta enam koostöörobotite nõuetele, on nende liigendite puhul loobutud tavapärastest ülekandemehhanismidest uudse disainifilosoofia kasuks. See lähenemisviis keskendub kergete, madalpinge ja integreeritud süsteemide saavutamisele, integreerides kontrolleri, servomootori ja mootori liigendi enda sisse, kusjuures alusena teostatud elektriühendused on samuti sisemiselt teostatud. Väliselt on nähtaval vaid minimaalne arv juhtimisliideseid, mis lihtsustab välist juhtmestikku ja vähendab tehnilist keerukust. Sellist konstruktsiooni nimetatakse integreeritud liigendiks.
Arvestades praeguseid arendusvajadusi ja suundumusi koostöörobotite ühenduste valdkonnas, on eriti oluline kujundada kerge, madalpinge, kõrgelt integreeritud ja suure jõudlusega integreeritud koostöörobotite ühendus. Selline integreeritud ühendus sisaldab kõiki liigendi liikumiseks vajalikke olulisi komponente – sealhulgas ajameid, kontrollereid, draivereid ja andureid – ning saab toimida iseseisvalt eraldiseisva moodulina. Kui see on ühendatud peakontrolleri või teiste moodulitega lihtsate toite- ja juhtsiinide kaudu, suurendab see väga ühtne, kuid vähese sidestusega disain oluliselt koostöörobotite skaleeritavust. Kasutades seda integreeritud moodulühendust ja sobitades selle sobiva suurusega robotkäte ja efektorseadmetega, saab hõlpsasti kokku panna erinevatele nõuetele kohandatud koostööroboteid.
Joonis 4 Modulaarse liite skemaatiline diagramm
Koostöörobotite integreeritud liigeste ja nende servojuhtimissüsteemide uuringud on koostöörobotite arendamise seisukohalt väga olulised. Nende integreeritud liigeste põhitehnoloogiad koosnevad kahest põhikomponendist: harmooniliste reduktorite ja liigendmootorite ajamisüsteemidest koos vastavate juhtimisalgoritmidega. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. keskendub oma uuringutes koostöörobotite liigendmootorite ajamisüsteemidele, viies läbi põhjalikke uuringuid liigendmootorite ajamite ja juhtimismehhanismide kohta. Ettevõte arendab rida üliintelligentseid integreeritud roboti liigendmootorite tooteid, mis võimaldavad koostöörobotite liigeste paindlikumaid ja usaldusväärsemaid juhtimisvõimalusi, lisades samal ajal selliseid olulisi omadusi nagu enesetaju, intelligentne otsuste tegemine, osav teostus ja täpne juhtimine, vastates seeläbi nutikate seadmete arendamise nõudmistele.
2 Praegune teadustöö olukord riigisiseselt ja rahvusvaheliselt
1956. aastal asutasid Ameerika füüsik Joe Engelberger ja leiutaja George Devol robootikafirma nimega Unimation, mis arendas 1959. aastal edukalt välja maailma esimese tööstusroboti – Unimate'i.
General Motors võttis robotid tööstuslikus tootmises esmakordselt kasutusele oma New Jersey tehases 1961. aastal. 1969. aastal tutvustas Jaapan Unimationi roboteid ning litsentsis hiljem oma tehnoloogia Kawasaki Heavy Industriesile ja Ühendkuningriigis asuvale KUKAI Corporationile robotite tootmiseks vastavalt Jaapanis ja Ühendkuningriigis. Jaapani autotööstuse arenguga on üha rohkem roboteid asendanud inimtööjõu tootmises, mis on täielikult näidanud nende praktilist väärtust. Seetõttu on Jaapan pannud üha suuremat rõhku tööstusrobootika arendamisele. Alustades Kawasaki Heavy Industriesist kui robotitehnoloogia kasutuselevõtu teerajajast, millele järgnesid maailmakuulsate robootikaettevõtete nagu FANUC ja Yaskawa esiletõus, on Jaapanist saanud üks tipptasemel robootikatehnoloogiaid valdavaid riike kogu maailmas.
1973. aastal modifitseeris Saksa ettevõte KUKA Unimate robotit, et luua esimene kuue vabadusastmega robot Famulus, mida käitab elektrimootor. 1974. aastal töötas Rootsi üldelektriettevõte ASEA (ABB eelkäija) välja maailma esimese täiselektrilise roboti IRB 6, mida juhib mikroprotsessor, suurendades oluliselt roboti intelligentsust. 1978. aastal võttis USA-s asuv Unimation Company oma PUMA tööstusroboti laialdaselt kasutusele General Motorsi konveierliinidel, demonstreerides veelgi tööstusrobotite praktilisust ja väärtust ning tähistades tööstusrobootika tehnoloogia täielikku küpsust, pannes seeläbi kindla aluse edasistele tehnoloogilistele edusammudele.
Tööstusrobotite arendamise enam kui nelja aastakümne jooksul on tehnoloogiline areng olnud pidev. Ohutuskaalutlustel on robotid aga tavaliselt fikseeritud kindlatele tööjaamadele ja isoleeritud kaitsepiiretega, mis takistab neil inimestega samas ruumis kõrvuti töötamast. See traditsiooniline konfiguratsioon piirab inimese ja roboti koostööd, mistõttu on tõeliselt tõhusate ühiste toimingute saavutamine keeruline. Vaatamata arvukatele katsetele ja uuringutele on ohutu inimese ja roboti koostöö saavutamine tööstusrobotite valdkonnas endiselt suur väljakutse.
Alles 2005. aastal tutvustati suure ELi rahastatud projekti raames koostöörobotite kontseptsiooni. Algatus tõi kokku juhtivad tööstusrobotite ettevõtted, nagu ABB, KUKA, Reis, Comau ja Gudel, et ühiselt arendada taskukohast, kompaktset ja paindlikku robotit, mis on spetsiaalselt loodud väikestele ja keskmise suurusega ettevõtetele, eesmärgiga vähendada tööjõu allhanke sõltuvust. See projekt tõi selgelt esile inimese ja roboti koostöö potentsiaali, pannes kindla aluse koostöörobotite kontseptsioonile.
Varased koostöörobotid olid peamiselt traditsiooniliste tööstusrobotite modifikatsioonid ja rakendused, muutmata põhjalikult nende disainifilosoofiat või töörežiime. Alates asutamisest 2005. aastal on Universal Robots pühendunud koostöörobotite arendamisele, mis on võimelised ohutult koos inimestega töötama. 2009. aastal tõi ettevõte turule UR5 – maailma esimese koostööroboti –, mis tähistas selle ajastu algust. Seejärel tutvustas Rethink kahekäelist Baxterit ja uut ühekäelist Sawyeri robotit, kehtestades järk-järgult koostöörobotid tunnustatud ja aktsepteeritud distsipliinina tööstusrobotites. See edasiminek on andnud uusi teadmisi ja suundi tulevase tööstusautomaatika ja intelligentse arenduse jaoks.
Joonis 5: UR5 robot ja Sawyer Baxteri robot
Hiina Teaduste Akadeemia Shenyangi Automatiseerimisinstituudiga seotud Siasun Robot Company esitles esmakordselt 2015. aasta novembris toimunud tööstusnäitusel seitsmeteljelist painduvat koostöörobotit, mis esindas Hiina kõrgtehnoloogilist taset. Sellest ajast alates on arvukad kodumaised koostööroboti mudelid, näiteks Luoshi ja Aobo, järk-järgult tunnustust kogunud.
Robotliigendite puhul seisneb peamine erinevus koostöörobotite ja traditsiooniliste raskeveokite tööstusrobotite liigeste vahel nende „paindlikkuses“. See paindlikkus avaldub madalamas mehaanilises jäikuses, väiksemas inertsis ja pöördemomendi tajumise võimes. Praegu tuleneb koostöörobotite kätes kasutatav liigeste paindlikkus peamiselt täpsest positsioonikontrollist ja pöördemomendi kontrollist.
Joonis 6. Integreeritud liigendi tüüpiline struktuur koostöörobotites
Praeguste uuringute ülevaade näitab, et Hiina robootika areng algas hiljem kui sellistes riikides nagu Ameerika Ühendriigid ja Jaapan. Koostöörobotite uuringud jäävad endiselt märkimisväärselt maha olemasolevatest rahvusvahelistest toodetest, kusjuures peamised kitsaskohad peituvad harmooniliste reduktorite ja ühismootori ajami juhtimissüsteemides. Kodumaistel koostöörobotite ühisjuhtimisvõimaluste osas on praegu märkimisväärset arenguruumi, eriti juhtimistäpsuse ja intelligentse juhtimise osas. Lisaks näitavad ülemaailmsed robootikauuringute trendid, et ohutus, paindlikkus ja intelligentsus on tehnoloogilise arengu domineerivad omadused. Robotite liigesed arenevad kõrgelt integreeritud ajami juhtimissüsteemide ja suurema intelligentsuse suunas. Kuigi koostöörobotite liigesed on liikunud traditsioonilisest tsentraliseeritud juhtimisest hajutatud ajami juhtimisarhitektuuridele, teostavad nad praegu ainult mootoriga juhitavaid toiminguid, neil puudub autonoomse taju, intelligentse otsuste tegemise ja osava täitmise võimekus, mille tulemuseks on suhteliselt madal intelligentsuse tase. Intelligentsete robootikasüsteemide nõudluse laiendamiseks on endiselt märkimisväärne potentsiaal.
Postituse aeg: 22. mai 2026
