1.1 Rannsóknarbakgrunnur
Með hraðri framförum vísinda og tækni,snjallar getuhalda áfram að batna, sem gerir snjalla framleiðslu að ríkjandi þróun í iðnaðarþróun. Til dæmis sýna gögn sem kínverska upplýsingaiðnaðarráðuneytið hefur gefið út að innlend snjallframleiðsla náði ótrúlegum vexti upp á 11,6% árið 2023 - sem er vitnisburður um viðvarandi viðleitni þjóðarinnar og tækninýjungar á þessu sviði. Ennfremur hefur fjöldi nýjunga meðal snjallframleiðslufyrirtækja aukist verulega, og spannar geira eins og framleiðslu á háþróuðum búnaði, háþróuðum efnum og umhverfistækni, sem endurspeglar lífskraft og djúpstæðar umbreytingar iðnaðarins. Þessi þróun hefur ekki aðeins gjörbylta hefðbundnum framleiðsluaðferðum heldur einnig hraðað uppfærslu iðnaðarins, aukið bæði skilvirkni og gæði. Í auknum mæli eru sjálfvirkar framleiðslulínur og iðnaðarvélmenni að koma í staðinn fyrir vinnuafl manna.
Með framþróuntímabil greindrar framleiðslu, sjálfvirkni og snjöll tæknilegir eiginleikar iðnaðarvélmenna samræmast fullkomlega vaxandi kröfum framleiðsluiðnaðarins um mikla nákvæmni, auðvelda notkun og sveigjanleika í framleiðsluferlum. Þetta hefur aukið mikilvægi þeirra í framleiðslu og gert þá að lykilafli sem knýr áfram umbreytingu og uppfærslu í iðnaði. Samvinnuvélmenni - iðnaðartæki sem geta náð bæði samstarfi milli véla og milli manna og vélmenna - hafa orðið lykilatriði í rannsóknum á vélmennum vegna sjálfstæðrar hegðunar þeirra og samvinnugetu, sem setur þá í aðstöðu til að gegna ráðandi hlutverki í framtíðar iðnaðarvélmenni. Í samvinnuvélmennatækni ákvarða afköst servómótora - þar á meðal togviðbragðshraði, nákvæmni togs, nákvæmni staðsetningar, orkunotkun og hitastigsstöðugleiki - beint skilvirkni, stöðugleika og nákvæmni vélmenna. Sem kjarni vélmenna hefur afköst servókerfa mikil áhrif á nákvæmni og áreiðanleika hreyfingar. Sérstaklega gegna sameiginlegir servómótorar lykilhlutverki í að ná nákvæmni staðsetningar. Framúrskarandi sameiginlegur servómótor tryggir nákvæma staðsetningu og stöðuga hreyfingu við flókin verkefni, sem eykur rekstrarhagkvæmni og lágmarkar villur.
Í „14. fimm ára áætluninni um þróun vélmennaiðnaðarins“ er lögð áhersla á að efla rannsóknir á snjöllum, samþættum vélmennaliðum, þar sem slíkir liðir eru sérstaklega hentugir fyrir samvinnuvélmenni. Mjög samþætt hönnunarhugmynd þeirra felur í sér undirliggjandi stýribúnað, skynjara og drifbúnað beint í liðinn sjálfan, sem breytir hverjum lið í sjálfstæða stjórneiningu. Með því að hámarka innri uppbyggingu og skipulag dregur dreifða stjórnarkitektúrinn verulega úr fjölda kapla milli mismunandi kerfisstiga, sem lækkar viðhaldskostnað og eykur heildaráreiðanleika. Mátahönnunin auðveldar einnig skiptingu og viðhald liða, sem eykur verulega samkeppnishæfni samvinnuvélmenna á markaði.
HinnHugmyndin um samvinnuvélmennivar fyrst kynnt árið 1996, og hönnunarheimspeki hennar gjörbylti hefðbundinni vélmennafræði með því að gera kleift að samhæfa aðgerðir milli vélmenna og manna á framleiðslulínum. Þessi samvinnuaðferð nýtir ekki aðeins skilvirkni og nákvæmni vélmenna heldur samþættir einnig mannlega greind og sveigjanleika, sem eykur rekstrarhagkvæmni og sveigjanleika. Í samanburði við hefðbundna iðnaðarvélmenni sýna samvinnuvélmenni sérstaka eiginleika og koma sér fyrir sem mikilvægur undirflokkur innan vélmennafræðinnar. Bæði efnisleg uppbygging þeirra og stjórnkerfi hafa gengist undir verulegar breytingar. Hefðbundnir iðnaðarvélmenni - eins og vélmennaarmsuppsetningarnar sem sýndar eru á mynd 1 - eru aðallega notaðir í brettapökkun, efnismeðhöndlun, suðu og leysiskurði. Þó að þessi vélmenni búi yfir mikilli stífleika, burðarþoli og sterkri burðargetu, þá hafa þau einnig takmarkanir: tiltölulega stór stærð og massa, mikil hreyfingartregða, fyrirferðarmikil hönnun með lélegum sveigjanleika og vanhæfni til að framkvæma mjög lipur samsetningarverkefni. Að auki skapar verulegur tregðuhreyfing þeirra og hraðhreyfingar mikla öryggisáhættu fyrir starfsfólk innan starfssvæðis þeirra, sem krefst starfa innan lokaðra lokaðra svæða.
Mynd 1 Hefðbundnir iðnaðarvélmennaarmar og samvinnuvélmenni
Samvinnuvélmenni gera kleift að vinna samtímis með fólki í sameiginlegum rýmum og auðvelda samskipti í návígi innan samvinnusvæða. Í samanburði við hefðbundna vélmennaarma bera samvinnuvélmenni yfirleitt hámarksþyngd upp á 20 kg á endaáhrifaflsbúnað sinn, með starfssvið sem er sambærilegt við teygju mannshandar. Uppbygging þeirra er einfaldari en hefðbundnir iðnaðarvélmennarmar með flóknum flutningsferlum, en bjóða upp á næma kraftviðbrögð, léttan sveigjanleika og öfluga skynjunargetu. Þessir eiginleikar gera þeim kleift að aðlaga kraft á kraftmikinn hátt við samskipti manna og koma þannig í veg fyrir ofbeldisfull tjón. Þar af leiðandi geta samvinnuvélmenni örugglega unnið með fólki að því að ljúka verkefnum án þess að þurfa hefðbundnar öryggishindranir.
Samvinnuvélmenni taka þátt í beinum aðgerðum við menn; því er öryggi ómissandi krafa í samstarfi manna og vélmenna. Það er nauðsynlegt að hafa strangt eftirlit með rekstrarafli og snúningsvægi, en jafnframt er beitt tæknilegum ráðstöfunum eins og straumstýringu, togstýringu, snertiskynjurum og árekstrarskynjun til að koma í veg fyrir meiðsli á fólki. Snjöll akstursstýrikerfi vélmenna þurfa einnig frekari hagræðingu fyrir öryggisstjórnun, sem gerir kleift að aðlaga sig að jöfnum stjórnun með kraftmiklum útreikningum og líkönum byggðum á athugendum.
Í nýlegri rannsókn lagði Alþjóðasamband vélfærafræði (IFR) áherslu á að framtíðarþróun vélfæra muni fyrst og fremst sýna þróun í átt að einfaldleika, auðveldri notkun, sveigjanleika og öruggri samvinnu. Iðnaðarvélmenni munu smám saman ná meiri sjálfvirkni og greind; notendavæn hönnun þeirra mun lækka rekstrarhindranir og gera fleiri fyrirtækjum kleift að nýta sér vélfæratækni áreynslulaust til að auka framleiðsluhagkvæmni. Á sama tíma mun hönnun sem býður upp á sveigjanleika og örugga samvinnugetu gera vélmennum kleift að aðlagast betur fjölbreyttu og flóknu framleiðsluumhverfi, auðvelda samvinnu manna og vélmenna og efla enn frekar snjalla og skilvirka þróun iðnaðarframleiðslu.
Mynd 2: Vinnusvæði samvinnuvélmennisins
1.2 Rannsóknarþýðing
Á núverandi markaði fyrir samvinnuvélmenni eru sjö-gráðu frelsisvélmenni vinsæl vegna mikils sviðs og sveigjanleika. Þessir vélmenni bjóða upp á óþarfa frelsisgráður, sem býður upp á meiri möguleika fyrir iðnaðarsjálfvirkni og snjalla framleiðslu. Hver frelsisgráðu er náð með vélmennalið, sem er mikilvægur þáttur í að ákvarða afköst vélmenna. Fjórir helstu framleiðendurnir - FANUC, ABB, Yaskawa og KUKA - nota hver um sig mismunandi flutningskerfi í hefðbundnum iðnaðarvélmennaörmum sínum; þó nota þeir í raun servómótora paraða við keiluhjól, spíralhjól eða samstilltar belti til að flytja afl til liðanna fyrir snúning. Þessar flutningsaðferðir takmarka stærð vélmennaliða. Þó að hægt sé að ná mikilli nákvæmni er smækkun enn krefjandi. Eins og sést á mynd 3 þurfa hefðbundnir iðnaðarvélmenni ytri stjórnskápa sem hýsa mótorservóstýringar, með fjölmörgum vírum sem tengja hvern mótor við skápinn, sem takmarkar þannig sveigjanlega notkun stjórnkerfa.
Mynd 3 Hefðbundinn iðnaðarrobot og stjórnskápur
Þar sem hefðbundnar liðamót iðnaðarvélmenna geta ekki lengur uppfyllt kröfur samvinnuvélmenna, hafa þessir liðir yfirgefið hefðbundna flutningskerfi og gripið til nýstárlegrar hönnunarheimspeki. Þessi aðferð leggur áherslu á að ná fram léttum, lágspennu- og mjög samþættum kerfum með því að samþætta stýringu, servódrif og mótor í liðnum sjálfum, þar sem undirliggjandi rafmagnstengingar eru einnig innbyggðar. Aðeins lágmarksfjöldi stjórntengja er sýnilegur að utan, sem einföldar ytri raflagnir og dregur úr flækjustigi í verkfræði. Slík hönnun er kölluð samþætt liður.
Í ljósi núverandi þróunarþarfa og þróunar í liðum samvinnuvélmenna er sérstaklega mikilvægt að hanna léttan, lágspennu, mjög samþættan og afkastamikla samþættan lið fyrir samvinnuvélmenni. Slíkur samþættur liður inniheldur alla nauðsynlega íhluti sem þarf til hreyfingar liða - þar á meðal stýribúnað, stýringar, drifbúnað og skynjara - og getur virkað sjálfstætt sem sjálfstæð eining. Þegar þessi mjög samheldna en samt lágtengingarhönnun er tengd við aðalstýringuna eða aðrar einingar í gegnum einfaldar aflgjafa- og stjórnrásir, eykur hún verulega sveigjanleika samvinnuvélmenna. Með því að nýta þennan samþætta mátlið og para hann við viðeigandi stærð vélmennaörma og endaáhrifavalda er auðvelt að setja saman samvinnuvélmenni sem eru sniðin að ýmsum kröfum.
Mynd 4 Skýringarmynd af máttengingunni
Rannsóknir á samþættum liðum fyrir samvinnuvélmenni og servóstýrikerfum þeirra eru afar mikilvægar fyrir framfarir í samvinnuvélmennafræði. Kjarnatækni þessara samþættu liða samanstendur af tveimur lykilþáttum: harmonískum minnkunarbúnaði og liðstýrikerfum fyrir mótor ásamt samsvarandi stýrireikniritum. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. einbeitir rannsóknum sínum að liðstýrikerfum fyrir samvinnuvélmenni og framkvæmir ítarlegar rannsóknir á liðstýringu og stýrikerfum fyrir mótor. Fyrirtækið er að þróa röð mjög snjallra samþættra liða fyrir vélmenni sem gera kleift að stjórna liðum samvinnuvélmenna sveigjanlegri og áreiðanlegri, en fella inn mikilvæga eiginleika eins og sjálfsskynjun, snjalla ákvarðanatöku, handlaginn framkvæmd og nákvæma stjórnun - og uppfylla þannig kröfur um þróun snjallbúnaðar.
2 Núverandi rannsóknarstaða innanlands og á alþjóðavettvangi
Árið 1956 stofnuðu bandaríski eðlisfræðingurinn Joe Engelberger og uppfinningamaðurinn George Devol vélmennafyrirtæki að nafni Unimation, sem þróaði fyrsta iðnaðarvélmennið í heimi, Unimate, með góðum árangri.
General Motors notaði fyrst vélmenni í iðnaðarframleiðslu í verksmiðju sinni í New Jersey árið 1961. Árið 1969 kynnti Japan vélmenni frá Unimation og veitti síðar Kawasaki Heavy Industries og breska fyrirtækinu KUKAI Corporation leyfi fyrir tækni sinni til vélmennaframleiðslu í Japan og Bretlandi, talið í sömu röð. Með framþróun japansks bílaiðnaðar hefur sífellt fleiri vélmenni komið í stað mannafla í framleiðslu, sem sýnir fullkomlega fram á hagnýtt gildi þeirra. Þar af leiðandi hefur Japan lagt vaxandi áherslu á þróun iðnaðarvélmenna. Kawasaki Heavy Industries var brautryðjandi í notkun vélmennatækni og heimsþekkt vélmennafyrirtæki eins og FANUC og Yaskawa komu til sögunnar. Japan hefur orðið ein af þeim þjóðum sem ná tökum á nýjustu vélmennatækni á heimsvísu.
Árið 1973 breytti þýska fyrirtækið KUKA Unimate vélmenninu til að búa til fyrsta sex-gráðu frelsisvélmennið, Famulus, knúið af rafmótor. Árið 1974 þróaði ASEA (forveri ABB), sænskt almennt rafmagnsfyrirtæki, fyrsta fullkomlega rafknúna vélmennið í heimi, IRB 6, sem stjórnað var af örgjörva, sem jók vélmennagreind verulega. Árið 1978 notaði bandaríska fyrirtækið Unimation PUMA iðnaðarvélmennið sitt víða á samsetningarlínum General Motors, sem sýndi enn frekar fram á hagnýtingu og gildi iðnaðarvélmenna og markaði fullan þroska iðnaðarvélmennatækni og lagði þannig traustan grunn að síðari tækniframförum.
Í meira en fjóra áratugi þróunar iðnaðarvélfærafræði hefur tækniframfarir verið stöðugar. Vegna öryggisástæðna eru vélmenni þó yfirleitt fest við ákveðnar vinnustöðvar og einangruð með vegriðum, sem kemur í veg fyrir að þau geti unnið hlið við hlið við menn í sama rými. Þessi hefðbundna uppsetning takmarkar samvinnu manna og vélmenna og gerir það erfitt að ná fram sannarlega skilvirkri samvinnu. Þrátt fyrir fjölmargar tilraunir og kannanir er örugg samvinna manna og vélmenna enn mikil áskorun á sviði iðnaðarvélfærafræði.
Það var ekki fyrr en árið 2005 að stórt verkefni, sem styrkt var af ESB, kynnti hugmyndina um samvinnuvélmenni. Frumkvæðið færði saman leiðandi fyrirtæki í iðnaðarvélmennaiðnaði eins og ABB, KUKA, Reis, Comau og Gudel til að þróa sameiginlega hagkvæman, nettan og sveigjanlegan vélmenni sem er sérstaklega hannaður fyrir lítil og meðalstór fyrirtæki, með það að markmiði að draga úr þörfinni fyrir útvistun vinnuafls. Þetta verkefni undirstrikaði sérstaklega möguleika samvinnu manna og vélmenna og lagði traustan grunn að hugmyndinni um samvinnuvélmenni.
Fyrstu samvinnuvélmennin voru aðallega breytingar og notkun hefðbundinna iðnaðarvélmenna, án þess að breyta grundvallaratriðum hönnunarheimspeki þeirra eða rekstrarháttum. Frá stofnun þess árið 2005 hefur Universal Robots einbeitt sér að því að þróa samvinnuvélmenni sem geta unnið örugglega við hlið manna. Árið 2009 kynnti fyrirtækið UR5 - fyrsta samvinnuvélmennið í heimi - sem markaði upphaf þessa tímabils. Í kjölfarið kynnti Rethink tvíarma Baxter og nýja einarma Sawyer vélmennið, sem smám saman gerði samvinnuvélmenni að viðurkenndri og viðurkenndri grein innan iðnaðarvélmenna. Þessi framþróun hefur veitt nýja innsýn og stefnur fyrir framtíðar iðnaðarsjálfvirkni og snjalla þróun.
Mynd 5: UR5 vélmenni og Sawyer Baxter vélmenni
Siasun Robot Company, sem tengist Shenyang Institute of Automation innan kínversku vísindaakademíunnar, sýndi fyrst fram á sjöása sveigjanlegan samvinnuvélmenni sem endurspeglar háþróaða tækni Kína á iðnaðarsýningunni í nóvember 2015. Síðan þá hafa fjölmargar innlendar samvinnuvélmennagerðir eins og Luoshi og Aobo smám saman hlotið viðurkenningu.
Hvað varðar liði vélmenna, þá liggur aðalmunurinn á liðum samvinnuvélmenna og liðum hefðbundinna þungavinnu iðnaðarvélmenna í „sveigjanleika“ þeirra. Þessi sveigjanleiki birtist í minni vélrænum stífleika, minni tregðu og getu til að nema tog. Eins og er stafar sveigjanleiki liða sem notaður er í samvinnuvélmennaörmum fyrst og fremst af nákvæmri staðsetningarstýringu og togstýringu.
Mynd 6 Dæmigerð uppbygging samþætts liðar í samvinnuvélmennum
Yfirlit yfir núverandi rannsóknir sýnir að þróun vélfærafræði í Kína hófst síðar en í löndum eins og Bandaríkjunum og Japan. Rannsóknir á samvinnuvélmennum eru enn verulega á eftir núverandi alþjóðlegum vörum, þar sem helstu flöskuhálsar liggja í sveiflujöfnurum og sameiginlegum mótorstýrikerfum. Innlendir samvinnuvélmenni hafa nú töluvert svigrúm til úrbóta í sameiginlegum stýringargetu, sérstaklega hvað varðar nákvæmni stýringar og snjalla stjórnun. Ennfremur benda alþjóðlegar þróunarrannsóknir á vélfærafræði til þess að öryggi, sveigjanleiki og greind séu ríkjandi einkenni tækniframfara. Liðir vélmenna eru að þróast í átt að mjög samþættum drifstýringarkerfum og meiri greind. Þó að liðir samvinnuvélmenna hafi færst frá hefðbundinni miðstýringu yfir í dreifða drifstýringararkitektúr, framkvæma þeir nú aðeins vélknúnar aðgerðir og skortir getu til sjálfvirkrar skynjunar, snjallrar ákvarðanatöku og handlaginnar framkvæmdar - sem leiðir til tiltölulega lágs greindarstigs. Það eru enn verulegir möguleikar á aukinni eftirspurn eftir snjöllum vélmennakerfum.
Birtingartími: 22. maí 2026
