1.1 Výzkumné pozadí
S rychlým pokrokem vědy a techniky,inteligentní schopnostise neustále zlepšují, čímž se inteligentní výroba stává převládajícím trendem v průmyslovém rozvoji. Například data zveřejněná čínským ministerstvem informačního průmyslu ukazují, že domácí inteligentní výroba dosáhla v roce 2023 pozoruhodného růstu o 11,6 % – což svědčí o trvalém úsilí země a technologických inovacích v této oblasti. Počet inovací mezi podniky zabývajícími se inteligentní výrobou navíc výrazně vzrostl a zahrnuje odvětví, jako je výroba špičkových zařízení, pokročilé materiály a environmentální technologie, což odráží vitalitu a hlubokou transformaci tohoto odvětví. Tento trend nejen způsobil revoluci v tradičních výrobních metodách, ale také urychlil modernizaci průmyslu, čímž se zvýšila jak efektivita, tak kvalita. Automatizované výrobní linky a průmysloví roboti stále častěji nahrazují lidskou práci.
S pokrokeméra inteligentní výrobyVysoce automatizované a inteligentní technologické vlastnosti průmyslových robotů dokonale odpovídají rostoucím požadavkům výrobního průmyslu na vysokou přesnost, snadnou obsluhu a flexibilitu výrobních procesů. To zvýšilo jejich význam ve výrobě a učinilo z nich klíčovou sílu, která pohání průmyslovou transformaci a modernizaci. Kolaborativní roboti – průmyslová zařízení schopná dosáhnout spolupráce mezi stroji i mezi člověkem a robotem – se díky svému autonomnímu chování a schopnostem spolupráce stala klíčovým zaměřením výzkumu robotiky, což je staví do dominantního postavení v budoucí průmyslové robotice. V technologii kolaborativních robotů přímo určují metriky výkonu servomotorů – včetně rychlosti odezvy krouticího momentu, přesnosti krouticího momentu, přesnosti polohování, spotřeby energie a teplotní stability – účinnost, stabilitu a přesnost pohybu robota. Servosystémy, které jsou jádrem robotů, mají zásadní vliv na přesnost a spolehlivost pohybu. Kloubové servomotory hrají klíčovou roli v dosahování přesnosti polohování. Vynikající kloubový servomotor zajišťuje přesné polohování a stabilní pohyb během složitých úkolů, čímž zvyšuje provozní efektivitu a minimalizuje chyby.
„14. pětiletý plán rozvoje robotického průmyslu“ klade důraz na pokrok ve výzkumu inteligentních integrovaných robotických kloubů, přičemž takové klouby jsou obzvláště vhodné pro kolaborativní roboty. Jejich vysoce integrovaný konstrukční koncept zahrnuje základní aktuátory, senzory a ovladače přímo do samotného kloubu, čímž se každý kloub stává samostatnou řídicí jednotkou. Optimalizací vnitřní struktury a uspořádání distribuovaná řídicí architektura výrazně snižuje počet kabelů mezi různými úrovněmi systému, čímž snižuje náklady na údržbu a zvyšuje celkovou spolehlivost. Modulární konstrukce také usnadňuje výměnu a údržbu kloubů, což podstatně zvyšuje konkurenceschopnost kolaborativních robotů na trhu.
Ten/Ta/Tokoncept kolaborativních robotůbyl poprvé představen v roce 1996 a jeho designová filozofie způsobila revoluci v tradiční robotice tím, že umožnila koordinované operace mezi roboty a lidmi na výrobních linkách. Tento kolaborativní přístup nejenže využívá efektivitu a přesnost robotů, ale také integruje lidskou inteligenci a flexibilitu, čímž zvyšuje provozní efektivitu a plynulost. Ve srovnání s konvenčními průmyslovými roboty vykazují kolaborativní roboti odlišné vlastnosti a etablují se jako významná podkategorie v oblasti robotiky. Jak jejich fyzické struktury, tak řídicí systémy prošly podstatnými úpravami. Tradiční průmyslové roboty – jako jsou konfigurace robotického ramene znázorněné na obrázku 1 – se používají především v paletizaci, manipulaci s materiálem, svařování a řezání laserem. I když se tito roboti vyznačují vysokou tuhostí, strukturální stabilitou a vysokou nosností, mají také omezení: relativně velkou velikost a hmotnost, značnou setrvačnost pohybu, objemné konstrukce se špatnou flexibilitou a neschopnost provádět vysoce agilní montážní úkoly. Navíc jejich značná setrvačná hybnost a vysokorychlostní pohyby představují značná bezpečnostní rizika pro personál v jejich operačním okruhu, což vyžaduje provoz v uzavřených prostorách.
Obrázek 1 Tradiční průmyslová robotická ramena a kolaborativní roboti
Kolaborativní roboti umožňují simultánní provoz s lidmi ve sdílených prostorech a usnadňují interakci na krátkou vzdálenost v rámci kolaborativních zón. Ve srovnání s tradičními robotickými rameny mají kolaborativní roboti na svém koncovém efektoru obvykle maximální zatížení 20 kg, s operačním dosahem srovnatelným s dosahem lidské paže. Jejich konstrukce je jednodušší než u konvenčních průmyslových robotických ramen a vyznačuje se složitými převodovými mechanismy. Zároveň nabízejí citlivou silovou zpětnou vazbu, nízkou hmotnost, flexibilitu a robustní schopnosti vnímání. Tyto vlastnosti jim umožňují dynamicky upravovat sílu během interakcí s lidmi a účinně předcházet násilnému poškození. V důsledku toho mohou kolaborativní roboti bezpečně spolupracovat s lidmi na plnění úkolů bez nutnosti tradičních bezpečnostních bariér.
Kolaborativní roboti se zapojují do operací s přímým kontaktem s člověkem, proto je bezpečnost v rámci spolupráce člověka a robota nezbytným požadavkem. Je nezbytné přísně kontrolovat provozní výkon a točivý moment a zároveň využívat technická opatření, jako je regulace proudu, regulace točivého momentu, kontaktní senzory a detekce kolizí, aby se zabránilo zraněním personálu. Inteligentní systémy řízení pohonu robotů také vyžadují další optimalizaci pro řízení bezpečnosti, která umožní adaptivní plynulé řízení prostřednictvím dynamických výpočtů a modelování založeného na pozorovateli.
Mezinárodní federace robotiky (IFR) ve své nedávné studii zdůraznila, že budoucí vývoj robotů bude vykazovat především trendy směrem k jednoduchosti, snadnému použití, flexibilitě a bezpečné spolupráci. Průmysloví roboti budou postupně dosahovat vyšší úrovně automatizace a inteligence; jejich uživatelsky přívětivý design sníží provozní bariéry, což umožní více podnikům bez námahy využívat robotické technologie ke zvýšení efektivity výroby. Zároveň konstrukce s flexibilitou a možnostmi bezpečné spolupráce umožní robotům lépe se přizpůsobit rozmanitému a složitému výrobnímu prostředí, což usnadní spolupráci mezi člověkem a robotem a dále podpoří inteligentní a efektivní rozvoj průmyslové výroby.
Obrázek 2: Pracovní prostor kolaborativního robota
1.2 Význam výzkumu
Na současném trhu kolaborativní robotiky jsou roboti se sedmi stupni volnosti upřednostňováni pro svůj široký operační rozsah a flexibilitu. Tito roboti poskytují redundantní stupně volnosti, což nabízí větší potenciál pro průmyslovou automatizaci a inteligentní výrobu. Každého stupně volnosti je dosaženo robotickým kloubem, který slouží jako kritický faktor při určování výkonu robota. Čtyři hlavní výrobci – FANUC, ABB, Yaskawa a KUKA – používají ve svých tradičních průmyslových robotických ramenech odlišné převodové systémy; v podstatě však využívají servomotory spárované s kuželovými ozubenými koly, čelními ozubenými koly nebo synchronními řemeny k přenosu výkonu na klouby pro rotaci. Tyto metody přenosu omezují velikost robotických kloubů. I když je dosažení vysoké přesnosti možné, miniaturizace zůstává náročná. Jak je znázorněno na obrázku 3, tradiční průmyslové roboty vyžadují externí rozvaděče s servopohony motorů a s četnými vodiči, které spojují každý motor se skříní, což omezuje flexibilní nasazení řídicích systémů.
Obrázek 3 Tradiční průmyslový robot a rozvaděč
Vzhledem k tomu, že tradiční konfigurace kloubů průmyslových robotických ramen již nemohou splňovat požadavky kolaborativních robotů, tyto klouby opustily konvenční převodové mechanismy ve prospěch nové konstrukční filozofie. Tento přístup se zaměřuje na dosažení lehkých, nízkonapěťových a vysoce integrovaných systémů integrací řídicí jednotky, servopohonu a motoru do samotného kloubu, přičemž interně jsou implementována i základní elektrická připojení. Vně je vystaven pouze minimální počet řídicích rozhraní, což zjednodušuje externí zapojení a snižuje technickou složitost. Taková konstrukce se označuje jako integrovaný kloub.
Vzhledem k současným potřebám a trendům vývoje v oblasti kolaborativních robotických kloubů je obzvláště důležité navrhnout lehký, nízkonapěťový, vysoce integrovaný a vysoce výkonný integrovaný kolaborativní robotický kloub. Takový integrovaný kloub zahrnuje všechny základní komponenty potřebné pro pohyb kloubu – včetně aktuátorů, řídicích jednotek, ovladačů a senzorů – a může fungovat nezávisle jako samostatný modul. Po připojení k hlavní řídicí jednotce nebo jiným modulům prostřednictvím jednoduchých napájecích a řídicích sběrnic tento vysoce soudržný, ale zároveň nízkoproudý design výrazně zvyšuje škálovatelnost kolaborativních robotů. Využitím tohoto integrovaného modulárního kloubu a jeho spárováním s robotickými rameny a koncovými efektory vhodné velikosti lze snadno sestavit kolaborativní roboty přizpůsobené různým požadavkům.
Obrázek 4 Schéma zapojení modulárního spoje
Výzkum integrovaných kloubů pro kolaborativní roboty a jejich servo řídicích systémů má značný význam pro rozvoj kolaborativní robotiky. Základní technologie těchto integrovaných kloubů se skládají ze dvou klíčových komponent: harmonických reduktorů a systémů řízení pohonu a řízení kloubových motorů spolu s odpovídajícími řídicími algoritmy. Společnost Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. se zaměřuje na systémy řízení pohonu a řízení kloubových motorů pro kolaborativní roboty a provádí hloubkové studie mechanismů pohonu a řízení kloubových motorů. Společnost vyvíjí řadu vysoce inteligentních integrovaných produktů s kloubovými motory pro roboty, které umožňují flexibilnější a spolehlivější řízení kloubů kolaborativních robotů a zároveň zahrnují kritické vlastnosti, jako je sebevnímání, inteligentní rozhodování, obratné provedení a přesné ovládání – čímž splňují požadavky vývoje inteligentních zařízení.
2 Současný stav výzkumu v tuzemsku i v zahraničí
V roce 1956 založili americký fyzik Joe Engelberger a vynálezce George Devol robotickou společnost s názvem Unimation, která v roce 1959 úspěšně vyvinula prvního průmyslového robota na světě – Unimate.
Společnost General Motors poprvé nasadila roboty v průmyslové výrobě ve svém závodě v New Jersey v roce 1961. V roce 1969 Japonsko představilo roboty od společnosti Unimation a později licencovalo její technologii společnostem Kawasaki Heavy Industries a britská společnost KUKAI Corporation pro výrobu robotů v Japonsku a Velké Británii. S rozvojem japonského automobilového průmyslu stále více robotů nahrazuje lidskou práci ve výrobě, což plně prokazuje jejich praktickou hodnotu. V důsledku toho Japonsko klade stále větší důraz na vývoj průmyslové robotiky. Počínaje společností Kawasaki Heavy Industries jako průkopníkem v zavádění robotických technologií, po níž následoval vznik světoznámých robotických společností, jako jsou FANUC a Yaskawa, se Japonsko stalo jednou z zemí, které globálně ovládají špičkové robotické technologie.
V roce 1973 německá společnost KUKA upravila robota Unimate a vytvořila prvního robota se šesti stupni volnosti, Famulus, poháněného elektromotorem. V roce 1974 vyvinula švédská elektrotechnická společnost ASEA (předchůdce společnosti ABB), prvního plně elektrického robota na světě, IRB 6, řízeného mikroprocesorem, čímž výrazně zlepšila robotickou inteligenci. V roce 1978 americká společnost Unimation Company široce nasadila svého průmyslového robota PUMA na montážní linky společnosti General Motors, čímž dále demonstrovala praktičnost a hodnotu průmyslových robotů a označila plnou vyspělost technologie průmyslové robotiky, čímž položila pevný základ pro následný technologický pokrok.
Během více než čtyř desetiletí vývoje průmyslové robotiky probíhal technologický pokrok nepřetržitě. Z bezpečnostních důvodů jsou však roboti obvykle upevněni na konkrétních pracovních stanicích a izolováni zábradlím, což jim brání v práci bok po boku s lidmi ve stejném prostoru. Tato tradiční konfigurace omezuje spolupráci člověka a robota, což ztěžuje dosažení skutečně efektivních kooperativních operací. Navzdory četným pokusům a výzkumům zůstává dosažení bezpečné spolupráce člověka a robota v oblasti průmyslové robotiky hlavní výzvou.
Až v roce 2005 představil velký projekt financovaný EU koncept kolaborativních robotů. Tato iniciativa spojila přední společnosti zabývající se průmyslovou robotikou, jako jsou ABB, KUKA, Reis, Comau a Gudel, aby společně vyvinuly cenově dostupného, kompaktního a flexibilního robota speciálně navrženého pro malé a střední podniky s cílem snížit závislost na outsourcingu pracovní síly. Tento projekt výslovně zdůraznil potenciál spolupráce člověka a robota a položil pevný základ pro koncept kolaborativních robotů.
Rané kolaborativní roboty byly primárně modifikacemi a aplikacemi tradičních průmyslových robotů, aniž by zásadně měnily jejich konstrukční filozofii nebo provozní režimy. Od svého založení v roce 2005 se společnost Universal Robots věnuje vývoji kolaborativních robotů schopných bezpečně pracovat po boku lidských pracovníků. V roce 2009 společnost uvedla na trh UR5 – prvního kolaborativního robota na světě – a tím zahájila tuto éru. Společnost Rethink následně představila dvouramenného Baxtera a nového jednoramenného Sawyera, čímž postupně etablovala kolaborativní robotiku jako uznávanou a akceptovanou disciplínu v rámci průmyslové robotiky. Tento pokrok poskytl nové poznatky a směry pro budoucí průmyslovou automatizaci a inteligentní vývoj.
Obrázek 5: Robot UR5 a robot Sawyer Baxter
Společnost Siasun Robot Company, přidružená k Shenyangskému institutu automatizace Čínské akademie věd, poprvé představila sedmiosého flexibilního kolaborativního robota, který reprezentoval pokročilou technologickou úroveň Číny, na průmyslovém veletrhu v listopadu 2015. Od té doby si postupně získaly uznání četné domácí modely kolaborativních robotů, jako například Luoshi a Aobo.
Pokud jde o robotické klouby, hlavní rozdíl mezi klouby kolaborativních robotů a klouby tradičních těžkých průmyslových robotů spočívá v jejich „flexibilitě“. Tato flexibilita se projevuje nižší mechanickou tuhostí, sníženou setrvačností a schopností snímat točivý moment. V současné době je flexibilita kloubů používaná u kolaborativních robotických ramen primárně založena na přesném řízení polohy a řízení točivého momentu.
Obrázek 6 Typická struktura integrovaného kloubu u kolaborativních robotů
Přehled současného výzkumu ukazuje, že vývoj robotiky v Číně začal později než v zemích, jako jsou Spojené státy a Japonsko. Výzkum kolaborativních robotů stále výrazně zaostává za stávajícími mezinárodními produkty, přičemž klíčová úzká místa spočívají v reduktorech harmonických a systémech řízení pohonu motorů s kloubovým pohonem. Domácí kolaborativní roboti mají v současné době značný prostor pro zlepšení schopností řízení kloubů, zejména pokud jde o přesnost řízení a inteligentní řízení. Globální trendy výzkumu robotiky dále naznačují, že bezpečnost, flexibilita a inteligence jsou dominantními charakteristikami technologického pokroku. Robotické klouby se vyvíjejí směrem k vysoce integrovaným systémům řízení pohonu a větší inteligenci. Ačkoli kolaborativní robotické klouby přešly z tradičního centralizovaného řízení na distribuované architektury řízení pohonu, v současné době provádějí pouze motoricky řízené akce a postrádají schopnosti autonomního vnímání, inteligentního rozhodování a obratného provádění – což má za následek relativně nízkou úroveň inteligence. Stále existuje značný potenciál pro rostoucí poptávku po inteligentních robotických systémech.
Čas zveřejnění: 22. května 2026
