1.1 Sfondate di Ricerca
Cù u rapidu avanzamentu di a scienza è di a tecnulugia,capacità intelligenticuntinueghjanu à migliurà, facendu di a fabricazione intelligente una tendenza prevalente in u sviluppu industriale. Per esempiu, i dati publicati da u Ministeru di l'Industria di l'Infurmazione di a Cina mostranu chì a fabricazione intelligente naziunale hà ottenutu una crescita rimarchevule di 11,6% in u 2023 - una testimonianza di i sforzi sustinuti di a nazione è di l'innuvazione tecnologica in questu campu. Inoltre, u numeru d'innuvazioni trà l'imprese di fabricazione intelligente hè aumentatu significativamente, abbracciendu settori cum'è a fabricazione di apparecchiature di alta gamma, materiali avanzati è tecnulugie ambientali, riflettendu a vitalità è a prufonda trasfurmazione di l'industria. Questa tendenza ùn hà micca solu rivoluzionatu i metudi tradiziunali di pruduzzione di fabricazione, ma hà ancu acceleratu a mudernizazione industriale, aumentendu sia l'efficienza sia a qualità. Sempre di più, e linee di pruduzzione automatizate è i robot industriali stanu rimpiazzendu u travagliu umanu.
Cù l'avanzamentu di uera di a fabricazione intelligente, e caratteristiche tecnologiche altamente automatizate è intelligenti di i robot industriali s'allineanu perfettamente cù e crescenti esigenze di l'industria manifatturiera per alta precisione, facilità operativa è flessibilità in i prucessi di pruduzzione. Questu hà aumentatu a so impurtanza in a fabricazione, facendu di elli una forza pivotale chì guida a trasfurmazione è l'aghjurnamentu industriale. I robot collaborativi - dispositivi industriali capaci di ottene sia a cullaburazione macchina à macchina sia a cullaburazione uomo-robot - sò emersi cum'è un focus chjave in a ricerca robotica per via di u so cumpurtamentu autonomu è di e capacità collaborative, pusiziunenduli per ghjucà un rolu dominante in a futura robotica industriale. In a tecnulugia di i robot collaborativi, e metriche di prestazione di i servomotori - cumprese a velocità di risposta di coppia, a precisione di coppia, a precisione di pusizionamentu, u cunsumu energeticu è a stabilità di a temperatura - determinanu direttamente l'efficienza di u muvimentu, a stabilità è a precisione di un robot. Cum'è u core di putenza di i robot, e prestazioni di i sistemi servo anu un impattu criticu nantu à a precisione è l'affidabilità di u muvimentu. In particulare, i servomotori articulari ghjocanu un rolu pivotale per ottene a precisione di pusizionamentu. Un eccellente servomotore articulare assicura un pusizionamentu precisu è un muvimentu stabile durante i compiti cumplessi, aumentendu cusì l'efficienza operativa è minimizendu l'errori.
U "14esimu Pianu Quinquennale per u Sviluppu di l'Industria di a Robotica" mette in risaltu l'avanzamentu di a ricerca nantu à i giunti robotichi integrati intelligenti, chì sò particularmente adatti per i robot collaborativi. U so cuncettu di cuncepimentu altamente integratu incorpora attuatori, sensori è driver sottostanti direttamente in u giuntu stessu, trasformendu ogni giuntu in un'unità di cuntrollu autonoma. Ottimizendu a struttura è u layout interni, l'architettura di cuntrollu distribuitu riduce significativamente u numeru di cavi trà i diversi livelli di u sistema, riducendu cusì i costi di manutenzione è aumentendu l'affidabilità generale. U cuncepimentu mudulare facilita ancu una sustituzione è una manutenzione più faciule di i giunti, aumentendu sustanzialmente a cumpetitività di u mercatu di i robot collaborativi.
Ucuncettu di robot collaborativihè statu introduttu per a prima volta in u 1996, cù a so filusufia di cuncepimentu chì rivoluziona a robotica tradiziunale permettendu operazioni coordinate trà robot è umani nantu à e linee di pruduzzione. Questu approcciu collaborativu ùn solu sfrutta l'efficienza è a precisione di i robot, ma integra ancu l'intelligenza è a flessibilità umane, aumentendu l'efficienza operativa è a fluidità. In paragone à i robot industriali cunvinziunali, i robot collaborativi mostranu caratteristiche distinte, stabilendu si cum'è una sottocategoria significativa in u campu di a robotica. Sia e so strutture fisiche sia i sistemi di cuntrollu anu subitu mudificazioni sustanziali. I robot industriali tradiziunali - cum'è e cunfigurazioni di u bracciu roboticu rapprisentate in a Figura 1 - sò principalmente aduprati in applicazioni di palettizazione, movimentazione di materiali, saldatura è taglio laser. Mentre questi robot presentanu alta rigidità, stabilità strutturale è forte capacità di carica, presentanu ancu limitazioni: dimensioni è massa relativamente grande, inerzia di muvimentu significativa, disinni ingombranti cù scarsa flessibilità è incapacità di eseguisce compiti di assemblaggio altamente agili. Inoltre, u so sustanziale momentum inerziale è i movimenti à alta velocità presentanu rischi di sicurezza considerable per u persunale in u so raghju operativu, chì necessitanu l'operazione in aree chjuse chjuse.
Figura 1 Bracci robotichi industriali tradiziunali è robot collaborativi
I robot collaborativi permettenu l'operazione simultanea cù l'umani in spazii spartuti è facilitanu l'interazione à corta distanza in e zone collaborative. In paragone cù i bracci robotici tradiziunali, i robot collaborativi portanu tipicamente un caricu massimu di 20 kg à u so effettore finale, cù un ambitu operativu paragunabile à quellu di a portata di un bracciu umanu. A so struttura hè più simplice di quella di i bracci robotici industriali cunvinziunali chì presentanu meccanismi di trasmissione cumplessi, mentre offrenu un feedback di forza sensibile, flessibilità ligera è capacità di percezione robuste. Queste caratteristiche li permettenu di adattà dinamicamente a forza durante l'interazioni umane, impedendu efficacemente danni viulenti. Di cunsiguenza, i robot collaborativi ponu collaborà in modu sicuru cù l'umani per compie i compiti senza richiede barriere di sicurezza tradiziunali.
I robot collaborativi s'impegnanu in operazioni di cuntattu direttu trà l'omu è i robot; dunque, a sicurezza hè un requisitu indispensabile in a cullaburazione trà l'omu è i robot. Hè essenziale cuntrullà strettamente a putenza operativa è a coppia rotazionale mentre si utilizanu misure tecniche cum'è u cuntrollu di a corrente, u cuntrollu di a coppia, i sensori di cuntattu è a rilevazione di collisioni per prevene ferite à u persunale. I sistemi intelligenti di cuntrollu di l'azionamentu di i robot necessitanu ancu una ulteriore ottimizazione per a gestione di a sicurezza, chì permette un cuntrollu fluidu adattivu attraversu calculi dinamici è modelizazione basata nantu à l'osservatori.
In un studiu recente, a Federazione Internaziunale di Robotica (IFR) hà messu in risaltu chì u sviluppu futuru di i robot mostrerà principalmente tendenze versu a simplicità, a facilità d'usu, a flessibilità è a cullaburazione sicura. I robot industriali raggiungeranu progressivamente livelli più elevati di automatizazione è intelligenza; u so design faciule d'utilizà riducerà l'ostaculi operativi, permettendu à più imprese di sfruttà senza sforzu a tecnulugia robotica per migliurà l'efficienza di a produzzione. Intantu, i disinni chì presentanu flessibilità è capacità di cullaburazione sicura permetteranu à i robot di adattassi megliu à ambienti di produzzione diversi è cumplessi, facilitendu a cullaburazione trà l'omu è i robot è avanzendu ulteriormente u sviluppu intelligente è efficiente di a produzzione industriale.
Figura 2: Zona di travagliu di u robot collaborativu
1.2 Importanza di a ricerca
In u mercatu attuale di a robotica collaborativa, i robot à sette gradi di libertà sò favuriti per a so vasta gamma operativa è a so flessibilità. Quessi robot furniscenu gradi di libertà ridondanti, offrendu un maggiore potenziale per l'automatizazione industriale è a fabricazione intelligente. Ogni gradu di libertà hè ottenutu per mezu di una articulazione robotica, chì serve cum'è fattore criticu per determinà e prestazioni robotiche. I quattru principali pruduttori - FANUC, ABB, Yaskawa è KUKA - impieganu sistemi di trasmissione distinti in i so bracci robotici industriali tradiziunali; tuttavia, utilizanu essenzialmente servomotori accoppiati cù ingranaggi conici, ingranaggi cilindrici o cinghie sincrone per trasmette a putenza à l'articulazioni per a rotazione. Quessi metudi di trasmissione limitanu a dimensione di l'articulazioni robotiche. Mentre hè pussibule ottene una alta precisione, a miniaturizazione ferma difficiule. Cum'è mostratu in a Figura 3, i robot industriali tradiziunali richiedenu armadi di cuntrollu esterni chì alloggianu servomotori, cù numerosi fili chì cunnettanu ogni motore à l'armadiu, restringendu cusì u spiegamentu flessibile di i sistemi di cuntrollu.
Figura 3 Robot industriale tradiziunale è armadiu di cuntrollu
Datu chì e cunfigurazioni tradiziunali di l'articuli di i bracci robotichi industriali ùn ponu più risponde à i requisiti di i robot collaborativi, sti articuli anu abbandunatu i meccanismi di trasmissione cunvinziunali in favore di una nova filusufia di cuncepimentu. Questu approcciu si cuncentra nantu à ottene sistemi leggeri, à bassa tensione è altamente integrati integrandu u controller, u servomotore è u mutore in l'articulu stessu, cù cunnessione elettriche sottostanti ancu implementate internamente. Solu un numeru minimu di interfacce di cuntrollu sò esposte esternamente, simplificendu u cablaggio esternu è riducendu a cumplessità ingegneristica. Un tale cuncepimentu hè chjamatu articulu integratu.
Dati i bisogni di sviluppu è e tendenze attuali in i giunti robotichi collaborativi, a cuncepzione di un giuntu roboticu collaborativu integratu ligeru, à bassa tensione, altamente integratu è ad alte prestazioni hè particularmente cruciale. Un tale giuntu integratu incorpora tutti i cumpunenti essenziali richiesti per u muvimentu di u giuntu, cumpresi attuatori, cuntrolli, driver è sensori, è pò funziunà indipindentamente cum'è un modulu autonomu. Quandu hè cunnessu à u cuntrolliu principale o altri moduli via semplici bus di putenza è di cuntrollu, questu cuncepimentu altamente cohesivu ma à bassu accoppiamentu migliora significativamente a scalabilità di i robot collaborativi. Utilizendu questu giuntu mudulare integratu è assuciendulu cù bracci robotichi è effettori finali di dimensioni appropriate, i robot collaborativi adattati à diverse esigenze ponu esse facilmente assemblati.
Figura 4 Schema di a giunzione mudulare
A ricerca nantu à i giunti integrati per i robot collaborativi è i so sistemi di servocontrollu hà una impurtanza significativa per l'avanzamentu di a robotica collaborativa. E tecnulugie principali di sti giunti integrati sò custituite da dui cumpunenti chjave: riduttori armonici è sistemi di cuntrollu di l'azionamentu di u mutore di i giunti inseme cù i so algoritmi di cuntrollu currispondenti. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. concentra a so ricerca nantu à i sistemi di cuntrollu di l'azionamentu di u mutore di i giunti per i robot collaborativi, cunducendu studii approfonditi nantu à i meccanismi di cuntrollu è di azionamentu di u mutore di i giunti. L'impresa sviluppa una seria di prudutti di mutori di giunti robotichi integrati altamente intelligenti chì permettenu capacità di cuntrollu più flessibili è affidabili per i giunti robotichi collaborativi, mentre incorporanu caratteristiche critiche cum'è l'autopercezione, a presa di decisioni intelligente, l'esecuzione abile è u cuntrollu precisu, rispondendu cusì à e esigenze di u sviluppu di apparecchiature intelligenti.
2 Statu attuale di a ricerca à u livellu naziunale è internaziunale
In u 1956, u fisicu americanu Joe Engelberger è l'inventore George Devol anu fundatu una sucietà di robotica chjamata Unimation, chì hà sviluppatu cù successu u primu robot industriale di u mondu - l'Unimate - in u 1959.
General Motors hà prima impiegatu robot in a pruduzzione industriale in a so fabbrica di u New Jersey in u 1961. In u 1969, u Giappone hà introduttu robot da Unimation, dopu cuncedendu in licenza a so tecnulugia à Kawasaki Heavy Industries è à KUKAI Corporation, basata in u Regnu Unitu, per operazioni di fabricazione di robot in Giappone è in u Regnu Unitu, rispettivamente. Cù l'avanzamentu di l'industria automobilistica giapponese, un numeru crescente di robot hà rimpiazzatu u travagliu umanu in a pruduzzione, dimustrendu pienamente u so valore praticu. Di cunsiguenza, u Giappone hà messu una enfasi crescente nantu à u sviluppu di a robotica industriale. Cuminciendu cù Kawasaki Heavy Industries cum'è pioniere in l'adopzione di a tecnulugia di i robot, seguita da l'emergenza di cumpagnie di robotica di fama mundiale cum'è FANUC è Yaskawa, u Giappone hè diventatu una di e nazioni chì maestranu tecnulugie robotiche d'avanguardia in u mondu.
In u 1973, a cumpagnia tedesca KUKA hà mudificatu u robot Unimate per creà u primu robot à sei gradi di libertà, u Famulus, alimentatu da un mutore elettricu. In u 1974, ASEA (u predecessore di ABB), una cumpagnia elettrica generale svedese, hà sviluppatu u primu robot cumpletamente elettricu di u mondu, l'IRB 6, cuntrullatu da un microprocessore, chì hà migliuratu significativamente l'intelligenza robotica. In u 1978, a cumpagnia Unimation, basata in i Stati Uniti, hà implementatu largamente u so robot industriale PUMA nantu à e linee di assemblaggio di General Motors, dimustrendu ulteriormente a praticità è u valore di i robot industriali è marcandu a piena maturità di a tecnulugia di a robotica industriale, ponendu cusì una basa solida per i successivi progressi tecnologichi.
In più di quattru decennii di sviluppu di a robotica industriale, i progressi tecnologichi sò stati cuntinui. Tuttavia, per via di cunsiderazioni di sicurezza, i robot sò tipicamente fissati in stazioni di travagliu specifiche è isolati da barriere di sicurezza, impedendu li di travaglià fiancu à fiancu cù l'umani in u listessu spaziu. Sta cunfigurazione tradiziunale limita a cullaburazione trà l'omu è i robot, rendendu difficiule a realizazione di operazioni cooperative veramente efficienti. Malgradu numerosi tentativi è esplorazioni, ottene una cullaburazione sicura trà l'omu è i robot ferma una sfida maiò in u campu di a robotica industriale.
Ùn hè statu chè in u 2005 chì un grande prughjettu finanziatu da l'UE hà introduttu u cuncettu di robot collaborativi. L'iniziativa hà riunitu e principali cumpagnie di robotica industriale cum'è ABB, KUKA, Reis, Comau è Gudel per sviluppà inseme un robot accessibile, compactu è flessibile specificamente cuncipitu per e piccule è medie imprese, cù l'obiettivu di riduce a dipendenza da l'esternalizazione di u travagliu. Stu prughjettu hà messu in risaltu esplicitamente u putenziale di a cullaburazione trà l'omu è i robot, ponendu una basa solida per u cuncettu di robot collaborativi.
I primi robot collaborativi eranu principalmente mudificazioni è applicazioni di robot industriali tradiziunali, senza alterà fundamentalmente a so filusufia di cuncepimentu o i modi operativi. Dapoi a so creazione in u 2005, Universal Robots s'hè dedicata à u sviluppu di robot collaborativi capaci di travaglià in modu sicuru accantu à i travagliadori umani. In u 2009, a cumpagnia hà lanciatu l'UR5 - u primu robot collaborativu di u mondu - chì marca l'alba di sta era. In seguitu, Rethink hà introduttu u Baxter à dui bracci è u novu robot Sawyer à un bracciu, stabilendu gradualmente a robotica collaborativa cum'è una disciplina ricunnisciuta è accettata in a robotica industriale. Questu avanzamentu hà furnitu nuove intuizioni è direzzioni per l'automatizazione industriale futura è u sviluppu intelligente.
Figura 5: Robot UR5 è robot Sawyer Baxter
A cumpagnia Siasun Robot, affiliata à l'Istitutu di Automazione di Shenyang di l'Accademia Cinese di e Scienze, hà presentatu per a prima volta un robot collaborativu flessibile à sette assi chì rapprisenta u livellu tecnologicu avanzatu di a Cina à l'Exposizione Industriale in nuvembre 2015. Da tandu, numerosi mudelli di robot collaborativi naziunali cum'è Luoshi è Aobo anu guadagnatu gradualmente ricunniscenza.
In quantu à l'articuli robotichi, a distinzione primaria trà l'articuli robotichi collaborativi è quelli di i robot industriali pesanti tradiziunali stà in a so "flessibilità". Sta flessibilità si manifesta per via di una rigidità meccanica più bassa, una inerzia ridutta è a capacità di rilevà a coppia. Attualmente, a flessibilità di l'articuli impiegata in i bracci robotichi collaborativi deriva principalmente da un cuntrollu precisu di a pusizione è da un cuntrollu di a coppia.
Figura 6 Struttura tipica di l'articulazione integrata in robot collaborativi
Una panoramica di a ricerca attuale revela chì u sviluppu di a robotica in Cina hà cuminciatu più tardi di quellu di paesi cum'è i Stati Uniti è u Giappone. A ricerca nantu à i robot collaborativi hè sempre significativamente in ritardu nantu à i prudutti internaziunali esistenti, cù i principali colli di buttiglia chì si trovanu in i riduttori armonici è i sistemi di cuntrollu di l'azionamentu di i motori di i giunti. I robot collaborativi domestici anu attualmente un spaziu sustanziale per u miglioramentu di e capacità di cuntrollu di i giunti, in particulare in termini di precisione di cuntrollu è cuntrollu intelligente. Inoltre, e tendenze di ricerca mundiale in robotica indicanu chì a sicurezza, a flessibilità è l'intelligenza sò caratteristiche dominanti di u prugressu tecnologicu. I giunti robotici si stanu evolvendu versu sistemi di cuntrollu di guida altamente integrati è una maggiore intelligenza. Ancu se i giunti robotici collaborativi sò passati da u cuntrollu centralizatu tradiziunale à architetture di cuntrollu di guida distribuite, attualmente eseguiscenu solu azzioni guidate da u mutore, mancendu capacità di percezione autonoma, presa di decisioni intelligente è esecuzione abile, risultendu in livelli relativamente bassi di intelligenza. Ci hè sempre un putenziale significativu per espande a dumanda di sistemi robotici intelligenti.
Data di publicazione: 22 di maghju di u 2026
