تحقیق در مورد کنترل یکپارچه موتور مشترک ربات‌های مشارکتی

۱.۱ پیشینه تحقیق

با پیشرفت سریع علم و فناوری،قابلیت‌های هوشمندهمچنان در حال بهبود است و تولید هوشمند را به یک روند غالب در توسعه صنعتی تبدیل می‌کند. به عنوان مثال، داده‌های منتشر شده توسط وزارت صنعت اطلاعات چین نشان می‌دهد که تولید هوشمند داخلی در سال 2023 به رشد قابل توجه 11.6 درصدی دست یافته است - گواهی بر تلاش‌های پایدار و نوآوری‌های فناوری این کشور در این زمینه. علاوه بر این، تعداد نوآوری‌ها در بین شرکت‌های تولید هوشمند به طور قابل توجهی افزایش یافته است و بخش‌هایی مانند تولید تجهیزات پیشرفته، مواد پیشرفته و فناوری‌های زیست‌محیطی را در بر می‌گیرد که نشان دهنده پویایی و تحول عمیق صنعت است. این روند نه تنها روش‌های تولید سنتی را متحول کرده است، بلکه ارتقاء صنعتی را نیز تسریع کرده و کارایی و کیفیت را افزایش داده است. خطوط تولید خودکار و ربات‌های صنعتی به طور فزاینده‌ای جایگزین نیروی کار انسانی می‌شوند.

با پیشرفتِعصر تولید هوشمندویژگی‌های تکنولوژیکی بسیار خودکار و هوشمند ربات‌های صنعتی کاملاً با تقاضای رو به رشد صنعت تولید برای دقت بالا، سهولت عملیاتی و انعطاف‌پذیری در فرآیندهای تولید همسو است. این امر اهمیت آنها را در تولید افزایش داده و آنها را به نیروی محوری محرک تحول و ارتقاء صنعتی تبدیل کرده است. ربات‌های مشارکتی - دستگاه‌های صنعتی که قادر به دستیابی به همکاری ماشین با ماشین و انسان و ربات هستند - به دلیل رفتار خودمختار و قابلیت‌های مشارکتی خود، به عنوان یک محور اصلی در تحقیقات رباتیک ظهور کرده‌اند و آنها را در موقعیتی قرار می‌دهند که نقش غالبی در رباتیک صنعتی آینده ایفا کنند. در فناوری ربات‌های مشارکتی، معیارهای عملکرد سروو موتور - از جمله سرعت پاسخ گشتاور، دقت گشتاور، دقت موقعیت‌یابی، مصرف برق و پایداری دما - مستقیماً راندمان، پایداری و دقت حرکت ربات را تعیین می‌کنند. به عنوان هسته قدرت ربات‌ها، عملکرد سیستم‌های سروو به طور حیاتی بر دقت حرکت و قابلیت اطمینان تأثیر می‌گذارد. نکته قابل توجه این است که سروو موتورهای مشترک نقش محوری در دستیابی به دقت موقعیت‌یابی دارند. یک سروو موتور مشترک عالی، موقعیت‌یابی دقیق و حرکت پایدار را در حین انجام وظایف پیچیده تضمین می‌کند و در نتیجه راندمان عملیاتی را افزایش داده و خطاها را به حداقل می‌رساند.

«چهاردهمین برنامه پنج ساله برای توسعه صنعت ربات» بر پیشبرد تحقیقات در مورد مفاصل رباتیک یکپارچه هوشمند تأکید دارد، به طوری که چنین مفاصلی به ویژه برای ربات‌های مشارکتی مناسب هستند. مفهوم طراحی بسیار یکپارچه آنها، محرک‌ها، حسگرها و درایورهای اساسی را مستقیماً در خود مفصل جای می‌دهد و هر مفصل را به یک واحد کنترل مستقل تبدیل می‌کند. با بهینه‌سازی ساختار و چیدمان داخلی، معماری کنترل توزیع‌شده به طور قابل توجهی تعداد کابل‌ها بین سطوح مختلف سیستم را کاهش می‌دهد، در نتیجه هزینه‌های نگهداری را کاهش داده و قابلیت اطمینان کلی را افزایش می‌دهد. طراحی ماژولار همچنین تعویض و نگهداری آسان‌تر مفاصل را تسهیل می‌کند و رقابت‌پذیری بازار ربات‌های مشارکتی را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد.

مفهوم ربات‌های همکاراولین بار در سال ۱۹۹۶ معرفی شد و فلسفه طراحی آن با ایجاد امکان عملیات هماهنگ بین ربات‌ها و انسان‌ها در خطوط تولید، انقلابی در رباتیک سنتی ایجاد کرد. این رویکرد مشارکتی نه تنها از کارایی و دقت ربات‌ها بهره می‌برد، بلکه هوش و انعطاف‌پذیری انسانی را نیز ادغام می‌کند و باعث افزایش کارایی و سیالیت عملیاتی می‌شود. در مقایسه با ربات‌های صنعتی مرسوم، ربات‌های مشارکتی ویژگی‌های متمایزی از خود نشان می‌دهند و خود را به عنوان یک زیرشاخه مهم در حوزه رباتیک تثبیت می‌کنند. هم ساختار فیزیکی و هم سیستم‌های کنترل آنها دستخوش تغییرات قابل توجهی شده‌اند. ربات‌های صنعتی سنتی - مانند پیکربندی‌های بازوی رباتیک نشان داده شده در شکل ۱ - در درجه اول در کاربردهای پالت‌گذاری، جابجایی مواد، جوشکاری و برش لیزری استفاده می‌شوند. در حالی که این ربات‌ها دارای استحکام بالا، پایداری ساختاری و ظرفیت تحمل بار قوی هستند، محدودیت‌هایی نیز دارند: اندازه و جرم نسبتاً بزرگ، اینرسی حرکتی قابل توجه، طرح‌های حجیم با انعطاف‌پذیری ضعیف و عدم توانایی در انجام وظایف مونتاژ بسیار چابک. علاوه بر این، تکانه اینرسی قابل توجه و حرکات پرسرعت آنها خطرات ایمنی قابل توجهی را برای پرسنل در شعاع عملیاتی خود ایجاد می‌کند و نیاز به کار در مناطق محصور و بسته را ضروری می‌سازد.

شکل 1 بازوهای رباتیک صنعتی سنتی و ربات‌های مشارکتی

ربات‌های مشارکتی امکان کار همزمان با انسان‌ها را در فضاهای مشترک فراهم می‌کنند و تعامل نزدیک در مناطق مشارکتی را تسهیل می‌کنند. در مقایسه با بازوهای رباتیک سنتی، ربات‌های مشارکتی معمولاً حداکثر بار 20 کیلوگرم را در انتهای خود تحمل می‌کنند و برد عملیاتی آنها قابل مقایسه با برد بازوی انسان است. ساختار آنها ساده‌تر از بازوهای رباتیک صنعتی مرسوم است که دارای مکانیسم‌های انتقال پیچیده هستند، در حالی که بازخورد نیروی حساس، انعطاف‌پذیری سبک و قابلیت‌های ادراک قوی را ارائه می‌دهند. این ویژگی‌ها به آنها اجازه می‌دهد تا نیرو را در طول تعاملات انسانی به صورت پویا تنظیم کنند و به طور مؤثر از آسیب‌های شدید جلوگیری کنند. در نتیجه، ربات‌های مشارکتی می‌توانند با خیال راحت با انسان‌ها برای انجام وظایف بدون نیاز به موانع ایمنی سنتی همکاری کنند.

ربات‌های همکار در عملیات‌های تماس مستقیم با انسان شرکت می‌کنند؛ بنابراین، ایمنی یک الزام ضروری در همکاری انسان و ربات است. کنترل دقیق توان عملیاتی و گشتاور چرخشی در حین به‌کارگیری اقدامات فنی مانند کنترل جریان، کنترل گشتاور، حسگرهای تماسی و تشخیص برخورد برای جلوگیری از آسیب به پرسنل ضروری است. سیستم‌های کنترل هوشمند درایو ربات‌ها نیز به بهینه‌سازی بیشتر برای مدیریت ایمنی نیاز دارند و کنترل روان تطبیقی ​​را از طریق محاسبات پویا و مدل‌سازی مبتنی بر ناظر امکان‌پذیر می‌سازند.

در یک مطالعه اخیر، فدراسیون بین‌المللی رباتیک (IFR) تأکید کرد که توسعه ربات‌های آینده در درجه اول روندهایی را به سمت سادگی، سهولت استفاده، انعطاف‌پذیری و همکاری ایمن نشان خواهد داد. ربات‌های صنعتی به تدریج به سطوح بالاتری از اتوماسیون و هوش دست خواهند یافت. طراحی کاربرپسند آنها موانع عملیاتی را کاهش می‌دهد و به شرکت‌های بیشتری این امکان را می‌دهد که به راحتی از فناوری رباتیک برای افزایش بهره‌وری تولید استفاده کنند. در همین حال، طرح‌هایی که دارای انعطاف‌پذیری و قابلیت‌های همکاری ایمن هستند، ربات‌ها را قادر می‌سازند تا با محیط‌های تولیدی متنوع و پیچیده بهتر سازگار شوند، همکاری انسان و ربات را تسهیل می‌کنند و توسعه هوشمند و کارآمد تولید صنعتی را بیشتر پیش می‌برند.

شکل ۲: ناحیه کاری ربات مشارکتی

۱.۲ اهمیت تحقیق

در بازار فعلی رباتیک مشارکتی، ربات‌های هفت درجه آزادی به دلیل دامنه عملیاتی گسترده و انعطاف‌پذیری‌شان مورد توجه قرار گرفته‌اند. این ربات‌ها درجات آزادی اضافی ارائه می‌دهند و پتانسیل بیشتری برای اتوماسیون صنعتی و تولید هوشمند ارائه می‌دهند. هر درجه آزادی از طریق یک مفصل رباتیک حاصل می‌شود که به عنوان یک عامل حیاتی در تعیین عملکرد رباتیک عمل می‌کند. چهار تولیدکننده اصلی - FANUC، ABB، Yaskawa و KUKA - هر کدام از سیستم‌های انتقال متمایزی در بازوهای رباتیک صنعتی سنتی خود استفاده می‌کنند. با این حال، آنها اساساً از سروو موتورها به همراه چرخ‌دنده‌های مخروطی، چرخ‌دنده‌های ساده یا تسمه‌های همزمان برای انتقال نیرو به مفاصل جهت چرخش استفاده می‌کنند. این روش‌های انتقال، اندازه مفاصل رباتیک را محدود می‌کنند. در حالی که دستیابی به دقت بالا امکان‌پذیر است، کوچک‌سازی همچنان چالش برانگیز است. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، ربات‌های صنعتی سنتی به کابینت‌های کنترل خارجی نیاز دارند که درایوهای سروو موتور را در خود جای می‌دهند و سیم‌های متعددی هر موتور را به کابینت متصل می‌کنند و در نتیجه، استقرار انعطاف‌پذیر سیستم‌های کنترل را محدود می‌کنند.

شکل 3 ربات صنعتی سنتی و کابینت کنترل

با توجه به اینکه پیکربندی‌های سنتی مفصل بازوهای رباتیک صنعتی دیگر نمی‌توانند الزامات ربات‌های مشارکتی را برآورده کنند، این مفاصل مکانیسم‌های انتقال مرسوم را به نفع یک فلسفه طراحی جدید کنار گذاشته‌اند. این رویکرد بر دستیابی به سیستم‌های سبک، کم‌ولتاژ و بسیار یکپارچه با ادغام کنترلر، سروو درایور و موتور در داخل خود مفصل، با اتصالات الکتریکی زیربنایی که به صورت داخلی پیاده‌سازی شده‌اند، تمرکز دارد. تنها تعداد کمی از رابط‌های کنترلی در خارج از مفصل قرار می‌گیرند که سیم‌کشی خارجی را ساده کرده و پیچیدگی مهندسی را کاهش می‌دهد. چنین طرحی به عنوان مفصل یکپارچه شناخته می‌شود.

با توجه به نیازها و روندهای توسعه فعلی در مفاصل ربات‌های مشارکتی، طراحی یک مفصل ربات مشارکتی یکپارچه سبک، کم‌ولتاژ، بسیار یکپارچه و با عملکرد بالا از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. چنین مفصل یکپارچه‌ای تمام اجزای ضروری مورد نیاز برای حرکت مفصل - از جمله محرک‌ها، کنترل‌کننده‌ها، درایورها و حسگرها - را در خود جای داده و می‌تواند به عنوان یک ماژول مستقل به طور مستقل عمل کند. این طراحی بسیار منسجم اما کم‌اتصال، هنگامی که از طریق گذرگاه‌های ساده قدرت و کنترل به کنترلر اصلی یا سایر ماژول‌ها متصل می‌شود، به طور قابل توجهی مقیاس‌پذیری ربات‌های مشارکتی را افزایش می‌دهد. با استفاده از این مفصل ماژولار یکپارچه و جفت کردن آن با بازوهای رباتیک و عملگرهای انتهایی با اندازه مناسب، ربات‌های مشارکتی متناسب با نیازهای مختلف را می‌توان به راحتی مونتاژ کرد.

شکل 4 نمودار شماتیک اتصال مدولار

تحقیق در مورد مفاصل یکپارچه برای ربات‌های مشارکتی و سیستم‌های کنترل سروو آنها اهمیت قابل توجهی برای پیشرفت رباتیک مشارکتی دارد. فناوری‌های اصلی این مفاصل یکپارچه از دو جزء کلیدی تشکیل شده‌اند: کاهنده‌های هارمونیک و سیستم‌های کنترل محرک موتور مشترک به همراه الگوریتم‌های کنترل مربوطه. شرکت Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd تحقیقات خود را بر روی سیستم‌های کنترل محرک موتور مشترک برای ربات‌های مشارکتی متمرکز کرده و مطالعات عمیقی در مورد مکانیزم‌های کنترل و محرک موتور مشترک انجام می‌دهد. این شرکت در حال توسعه مجموعه‌ای از محصولات موتور مشترک ربات یکپارچه بسیار هوشمند است که قابلیت‌های کنترل انعطاف‌پذیرتر و قابل اعتمادتری را برای مفاصل ربات مشارکتی فراهم می‌کند، در حالی که ویژگی‌های مهمی مانند خود ادراکی، تصمیم‌گیری هوشمند، اجرای ماهرانه و کنترل دقیق را در خود جای می‌دهد - و در نتیجه نیازهای توسعه تجهیزات هوشمند را برآورده می‌کند.

۲ وضعیت فعلی تحقیقات در داخل و خارج از کشور

در سال ۱۹۵۶، فیزیکدان آمریکایی جو انگلبرگر و مخترع جورج دوول یک شرکت رباتیک به نام یونیمیشن تأسیس کردند که در سال ۱۹۵۹ با موفقیت اولین ربات صنعتی جهان - یونیمیت - را توسعه داد.

جنرال موتورز برای اولین بار در سال ۱۹۶۱ در کارخانه نیوجرسی خود، ربات‌ها را در تولید صنعتی به کار گرفت. در سال ۱۹۶۹، ژاپن ربات‌های Unimation را معرفی کرد و بعداً مجوز فناوری خود را به صنایع سنگین کاوازاکی و شرکت KUKAI مستقر در بریتانیا برای عملیات تولید ربات در ژاپن و بریتانیا اعطا کرد. با پیشرفت صنعت خودروسازی ژاپن، تعداد فزاینده‌ای از ربات‌ها جایگزین نیروی کار انسانی در تولید شده‌اند که ارزش عملی آنها را به طور کامل نشان می‌دهد. در نتیجه، ژاپن تأکید فزاینده‌ای بر توسعه رباتیک صنعتی داشته است. با شروع از صنایع سنگین کاوازاکی به عنوان پیشگام در پذیرش فناوری ربات و به دنبال آن ظهور شرکت‌های رباتیک مشهور جهانی مانند FANUC و Yaskawa، ژاپن به یکی از کشورهایی تبدیل شده است که در سطح جهانی بر فناوری‌های رباتیک پیشرفته تسلط دارند.

در سال ۱۹۷۳، شرکت آلمانی KUKA ربات Unimate را اصلاح کرد تا اولین ربات شش درجه آزادی، Famulus، را که توسط یک موتور الکتریکی تغذیه می‌شد، بسازد. در سال ۱۹۷۴، ASEA (سلف ABB)، یک شرکت برق عمومی سوئدی، اولین ربات کاملاً برقی جهان، IRB 6، را که توسط یک ریزپردازنده کنترل می‌شد، توسعه داد و هوش رباتیک را به طور قابل توجهی افزایش داد. در سال ۱۹۷۸، شرکت Unimation مستقر در ایالات متحده، ربات صنعتی PUMA خود را به طور گسترده در خطوط مونتاژ جنرال موتورز مستقر کرد و کاربرد و ارزش ربات‌های صنعتی را بیشتر نشان داد و بلوغ کامل فناوری رباتیک صنعتی را رقم زد و بدین ترتیب پایه محکمی برای پیشرفت‌های تکنولوژیکی بعدی بنا نهاد.

در طول بیش از چهار دهه توسعه رباتیک صنعتی، پیشرفت‌های تکنولوژیکی پیوسته بوده است. با این حال، به دلیل ملاحظات ایمنی، ربات‌ها معمولاً در ایستگاه‌های کاری خاص ثابت و توسط نرده‌های محافظ ایزوله می‌شوند و از کار کردن آنها در کنار انسان‌ها در یک فضا جلوگیری می‌کنند. این پیکربندی سنتی، همکاری انسان و ربات را محدود می‌کند و دستیابی به عملیات مشارکتی واقعاً کارآمد را دشوار می‌سازد. با وجود تلاش‌ها و کاوش‌های متعدد، دستیابی به همکاری ایمن انسان و ربات همچنان یک چالش بزرگ در زمینه رباتیک صنعتی است.

تا سال ۲۰۰۵، یک پروژه بزرگ با بودجه اتحادیه اروپا، مفهوم ربات‌های مشارکتی را معرفی نکرد. این ابتکار، شرکت‌های پیشرو در رباتیک صنعتی مانند ABB، KUKA، Reis، Comau و Gudel را گرد هم آورد تا به طور مشترک یک ربات مقرون به صرفه، جمع و جور و انعطاف‌پذیر را که به طور خاص برای شرکت‌های کوچک و متوسط ​​طراحی شده بود، با هدف کاهش وابستگی به برون‌سپاری نیروی کار، توسعه دهند. این پروژه به صراحت پتانسیل همکاری انسان و ربات را برجسته کرد و پایه محکمی برای مفهوم ربات‌های مشارکتی بنا نهاد.

ربات‌های مشارکتی اولیه، عمدتاً اصلاحات و کاربردهایی از ربات‌های صنعتی سنتی بودند، بدون اینکه فلسفه طراحی یا حالت‌های عملیاتی آنها را به طور اساسی تغییر دهند. از زمان تأسیس در سال ۲۰۰۵، شرکت Universal Robots به توسعه ربات‌های مشارکتی که قادر به کار ایمن در کنار کارگران انسانی هستند، اختصاص یافته است. در سال ۲۰۰۹، این شرکت UR5 - اولین ربات مشارکتی جهان - را راه‌اندازی کرد که طلوع این دوران را رقم زد. متعاقباً، Rethink ربات دو بازویی Baxter و ربات جدید تک بازویی Sawyer را معرفی کرد و به تدریج رباتیک مشارکتی را به عنوان یک رشته شناخته شده و پذیرفته شده در رباتیک صنعتی تثبیت کرد. این پیشرفت، بینش‌ها و مسیرهای جدیدی را برای اتوماسیون صنعتی آینده و توسعه هوشمند فراهم کرده است.

شکل ۵: ربات UR5 و ربات Sawyer Baxter

شرکت ربات سیاسون، وابسته به موسسه اتوماسیون شنیانگ آکادمی علوم چین، برای اولین بار یک ربات مشارکتی انعطاف‌پذیر هفت محوره را که نمایانگر سطح فناوری پیشرفته چین بود، در نمایشگاه صنعتی نوامبر ۲۰۱۵ به نمایش گذاشت. از آن زمان، مدل‌های متعدد ربات مشارکتی داخلی مانند لووشی و آئوبو به تدریج مورد توجه قرار گرفته‌اند.

در مورد مفاصل رباتیک، تمایز اصلی بین مفاصل ربات‌های مشارکتی و مفاصل ربات‌های صنعتی سنگین سنتی در «انعطاف‌پذیری» آنهاست. این انعطاف‌پذیری از طریق سختی مکانیکی پایین‌تر، کاهش اینرسی و توانایی حس گشتاور آشکار می‌شود. در حال حاضر، انعطاف‌پذیری مفاصل به کار رفته در بازوهای رباتیک مشارکتی در درجه اول از کنترل دقیق موقعیت و کنترل گشتاور ناشی می‌شود.

شکل 6 ساختار معمول مفصل یکپارچه در ربات‌های مشارکتی

مروری بر تحقیقات فعلی نشان می‌دهد که توسعه رباتیک چین دیرتر از کشورهایی مانند ایالات متحده و ژاپن آغاز شده است. تحقیقات در مورد ربات‌های مشارکتی هنوز به طور قابل توجهی از محصولات بین‌المللی موجود عقب مانده است و تنگناهای اصلی آن در کاهنده‌های هارمونیک و سیستم‌های کنترل محرک موتور مشترک نهفته است. ربات‌های مشارکتی داخلی در حال حاضر فضای قابل توجهی برای بهبود قابلیت‌های کنترل مشترک، به ویژه از نظر دقت کنترل و کنترل هوشمند، دارند. علاوه بر این، روند تحقیقات جهانی رباتیک نشان می‌دهد که ایمنی، انعطاف‌پذیری و هوش از ویژگی‌های غالب پیشرفت فناوری هستند. مفاصل ربات در حال تکامل به سمت سیستم‌های کنترل محرک بسیار یکپارچه و هوش بیشتر هستند. اگرچه مفاصل ربات مشارکتی از کنترل متمرکز سنتی به معماری‌های کنترل محرک توزیع‌شده منتقل شده‌اند، اما در حال حاضر فقط اقدامات محرک موتور را انجام می‌دهند و فاقد قابلیت‌های درک مستقل، تصمیم‌گیری هوشمند و اجرای ماهرانه هستند - که منجر به سطوح نسبتاً پایین هوش می‌شود. همچنان پتانسیل قابل توجهی برای گسترش تقاضا برای سیستم‌های رباتیک هوشمند وجود دارد.