1.1 Latar Belakang Penyelidikan
Dengan kemajuan sains dan teknologi yang pesat,keupayaan pintarterus bertambah baik, menjadikan pembuatan pintar sebagai trend semasa dalam pembangunan perindustrian. Contohnya, data yang dikeluarkan oleh Kementerian Industri Maklumat China menunjukkan bahawa pembuatan pintar domestik mencapai pertumbuhan yang luar biasa sebanyak 11.6% pada tahun 2023—bukti usaha berterusan dan inovasi teknologi negara dalam bidang ini. Tambahan pula, bilangan inovasi dalam kalangan perusahaan pembuatan pintar telah melonjak dengan ketara, merangkumi sektor seperti pembuatan peralatan mewah, bahan termaju dan teknologi alam sekitar, mencerminkan daya hidup dan transformasi mendalam industri. Trend ini bukan sahaja telah merevolusikan kaedah pengeluaran pembuatan tradisional tetapi juga mempercepatkan penaiktarafan industri, meningkatkan kecekapan dan kualiti. Semakin banyak barisan pengeluaran automatik dan robot perindustrian menggantikan tenaga kerja manusia.
Dengan kemajuan yangera pembuatan pintar, ciri-ciri teknologi robot perindustrian yang sangat automatik dan pintar sejajar dengan permintaan industri pembuatan yang semakin meningkat untuk ketepatan tinggi, kemudahan operasi dan fleksibiliti dalam proses pengeluaran. Ini telah meningkatkan kepentingannya dalam pembuatan, menjadikannya daya penting yang memacu transformasi dan penaiktarafan perindustrian. Robot kolaboratif—peranti perindustrian yang mampu mencapai kerjasama mesin-ke-mesin dan manusia-robot—telah muncul sebagai tumpuan utama dalam penyelidikan robotik kerana tingkah laku autonomi dan keupayaan kolaboratifnya, meletakkannya untuk memainkan peranan dominan dalam robotik perindustrian masa depan. Dalam teknologi robot kolaboratif, metrik prestasi motor servo—termasuk kelajuan tindak balas tork, ketepatan tork, ketepatan kedudukan, penggunaan kuasa dan kestabilan suhu—secara langsung menentukan kecekapan, kestabilan dan ketepatan gerakan robot. Sebagai teras kuasa robot, prestasi sistem servo memberi kesan kritikal kepada ketepatan dan kebolehpercayaan gerakan. Terutamanya, motor servo bersama memainkan peranan penting dalam mencapai ketepatan kedudukan. Motor servo bersama yang cemerlang memastikan kedudukan yang tepat dan gerakan yang stabil semasa tugas yang kompleks, sekali gus meningkatkan kecekapan operasi dan meminimumkan ralat.
"Rancangan Lima Tahun ke-14 untuk Pembangunan Industri Robot" menekankan kemajuan penyelidikan mengenai sambungan robot bersepadu pintar, dengan sambungan sedemikian amat sesuai untuk robot kolaboratif. Konsep reka bentuk bersepadu mereka yang sangat menggabungkan penggerak, sensor dan pemacu asas terus ke dalam sambungan itu sendiri, menjadikan setiap sambungan menjadi unit kawalan kendiri. Dengan mengoptimumkan struktur dan susun atur dalaman, seni bina kawalan teragih mengurangkan bilangan kabel antara tahap sistem yang berbeza dengan ketara, sekali gus mengurangkan kos penyelenggaraan dan meningkatkan kebolehpercayaan keseluruhan. Reka bentuk modular juga memudahkan penggantian dan penyelenggaraan sambungan yang lebih mudah, sekali gus meningkatkan daya saing pasaran robot kolaboratif dengan ketara.
Yangkonsep robot kolaboratifpertama kali diperkenalkan pada tahun 1996, dengan falsafah reka bentuknya yang merevolusikan robotik tradisional dengan membolehkan operasi yang diselaraskan antara robot dan manusia di barisan pengeluaran. Pendekatan kolaboratif ini bukan sahaja memanfaatkan kecekapan dan ketepatan robot tetapi juga mengintegrasikan kecerdasan dan fleksibiliti manusia, meningkatkan kecekapan dan kelancaran operasi. Berbanding dengan robot perindustrian konvensional, robot kolaboratif mempamerkan ciri-ciri yang berbeza, menjadikan diri mereka sebagai subkategori yang ketara dalam bidang robotik. Kedua-dua struktur fizikal dan sistem kawalan mereka telah mengalami pengubahsuaian yang ketara. Robot perindustrian tradisional—seperti konfigurasi lengan robot yang digambarkan dalam Rajah 1—terutamanya digunakan dalam aplikasi pemaletan, pengendalian bahan, kimpalan dan pemotongan laser. Walaupun robot ini mempunyai ketegaran yang tinggi, kestabilan struktur dan kapasiti galas beban yang kuat, ia juga mempunyai batasan: saiz dan jisim yang agak besar, inersia gerakan yang ketara, reka bentuk yang besar dengan fleksibiliti yang lemah dan ketidakupayaan untuk melaksanakan tugas pemasangan yang sangat tangkas. Di samping itu, momentum inersia yang besar dan pergerakan berkelajuan tinggi menimbulkan risiko keselamatan yang besar kepada kakitangan dalam jejari operasi mereka, yang memerlukan operasi dalam kawasan tertutup yang tertutup.
Rajah 1 Lengan robot industri tradisional dan robot kolaboratif
Robot kolaboratif membolehkan operasi serentak dengan manusia di ruang kongsi dan memudahkan interaksi jarak dekat dalam zon kolaboratif. Berbanding dengan lengan robot tradisional, robot kolaboratif biasanya menanggung beban maksimum 20 kg pada efektor hujungnya, dengan julat operasi yang setanding dengan jangkauan lengan manusia. Strukturnya lebih ringkas daripada lengan robot industri konvensional yang menampilkan mekanisme penghantaran yang kompleks, sambil menawarkan maklum balas daya sensitif, fleksibiliti yang ringan dan keupayaan persepsi yang mantap. Ciri-ciri ini membolehkannya melaraskan daya secara dinamik semasa interaksi manusia, sekali gus mencegah kerosakan ganas dengan berkesan. Akibatnya, robot kolaboratif boleh bekerjasama dengan manusia dengan selamat untuk menyelesaikan tugas tanpa memerlukan penghadang keselamatan tradisional.
Robot kolaboratif terlibat dalam operasi sentuhan manusia secara langsung; oleh itu, keselamatan merupakan keperluan yang sangat penting dalam kerjasama manusia-robot. Adalah penting untuk mengawal kuasa operasi dan tork putaran dengan ketat sambil menggunakan langkah-langkah teknikal seperti kawalan arus, kawalan tork, sensor sentuhan dan pengesanan perlanggaran untuk mencegah kecederaan kepada kakitangan. Sistem kawalan pemacu pintar robot juga memerlukan pengoptimuman selanjutnya untuk pengurusan keselamatan, membolehkan kawalan lancar adaptif melalui pengiraan dinamik dan pemodelan berasaskan pemerhati.
Dalam satu kajian baru-baru ini, Persekutuan Robotik Antarabangsa (IFR) menekankan bahawa pembangunan robot masa hadapan terutamanya akan mempamerkan trend ke arah kesederhanaan, kemudahan penggunaan, fleksibiliti dan kerjasama yang selamat. Robot perindustrian akan secara progresif mencapai tahap automasi dan kecerdasan yang lebih tinggi; reka bentuk mesra pengguna mereka akan mengurangkan halangan operasi, membolehkan lebih banyak perusahaan memanfaatkan teknologi robotik dengan mudah untuk meningkatkan kecekapan pengeluaran. Sementara itu, reka bentuk yang menampilkan fleksibiliti dan keupayaan kerjasama yang selamat akan membolehkan robot menyesuaikan diri dengan lebih baik dengan persekitaran pengeluaran yang pelbagai dan kompleks, memudahkan kerjasama manusia-robot dan memajukan lagi pembangunan pengeluaran perindustrian yang pintar dan cekap.
Rajah 2: Kawasan kerja robot kolaboratif
1.2 Kepentingan Penyelidikan
Dalam pasaran robotik kolaboratif semasa, robot tujuh darjah kebebasan digemari kerana julat operasi dan fleksibilitinya yang luas. Robot ini memberikan darjah kebebasan yang berlebihan, menawarkan potensi yang lebih besar untuk automasi perindustrian dan pembuatan pintar. Setiap darjah kebebasan dicapai melalui sambungan robot, yang berfungsi sebagai faktor kritikal dalam menentukan prestasi robot. Empat pengeluar utama—FANUC, ABB, Yaskawa dan KUKA—masing-masing menggunakan sistem penghantaran yang berbeza dalam lengan robot perindustrian tradisional mereka; walau bagaimanapun, mereka pada asasnya menggunakan motor servo yang dipasangkan dengan gear serong, gear taji atau tali sawat segerak untuk menghantar kuasa ke sambungan untuk putaran. Kaedah penghantaran ini mengehadkan saiz sambungan robot. Walaupun mencapai ketepatan yang tinggi adalah mungkin, pengecilan saiz masih mencabar. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, robot perindustrian tradisional memerlukan kabinet kawalan luaran yang menempatkan pemacu servo motor, dengan pelbagai wayar yang menghubungkan setiap motor ke kabinet, sekali gus menyekat penggunaan sistem kawalan yang fleksibel.
Rajah 3 Robot perindustrian tradisional dan kabinet kawalan
Memandangkan konfigurasi sambungan tradisional lengan robot industri tidak lagi dapat memenuhi keperluan robot kolaboratif, sambungan ini telah meninggalkan mekanisme penghantaran konvensional dan beralih kepada falsafah reka bentuk baharu. Pendekatan ini memberi tumpuan kepada mencapai sistem yang ringan, bervoltan rendah dan sangat bersepadu dengan mengintegrasikan pengawal, pemacu servo dan motor dalam sambungan itu sendiri, dengan sambungan elektrik asas juga dilaksanakan secara dalaman. Hanya sebilangan minimum antara muka kawalan yang didedahkan secara luaran, memudahkan pendawaian luaran dan mengurangkan kerumitan kejuruteraan. Reka bentuk sedemikian dirujuk sebagai sambungan bersepadu.
Memandangkan keperluan dan trend pembangunan semasa dalam sambungan robot kolaboratif, mereka bentuk sambungan robot kolaboratif bersepadu yang ringan, bervoltan rendah, sangat bersepadu dan berprestasi tinggi adalah amat penting. Sambungan bersepadu sedemikian menggabungkan semua komponen penting yang diperlukan untuk pergerakan sambungan—termasuk penggerak, pengawal, pemacu dan sensor—dan boleh berfungsi secara bebas sebagai modul kendiri. Apabila disambungkan kepada pengawal utama atau modul lain melalui bas kuasa dan kawalan yang mudah, reka bentuk gandingan yang sangat padu tetapi rendah ini meningkatkan kebolehskalaan robot kolaboratif dengan ketara. Dengan menggunakan sambungan modular bersepadu ini dan memasangkannya dengan lengan robot dan efektor hujung yang bersaiz sesuai, robot kolaboratif yang disesuaikan dengan pelbagai keperluan boleh dipasang dengan mudah.
Rajah 4 Gambarajah skematik sambungan modular
Penyelidikan mengenai sambungan bersepadu untuk robot kolaboratif dan sistem kawalan servonya mempunyai kepentingan yang ketara untuk kemajuan robotik kolaboratif. Teknologi teras sambungan bersepadu ini terdiri daripada dua komponen utama: pengurang harmonik dan sistem kawalan pemacu motor bersama berserta algoritma kawalan yang sepadan. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. memfokuskan penyelidikannya pada sistem kawalan pemacu motor bersama untuk robot kolaboratif, menjalankan kajian mendalam mengenai mekanisme pemacu dan kawalan motor bersama. Syarikat ini sedang membangunkan satu siri produk motor sambungan robot bersepadu yang sangat pintar yang membolehkan keupayaan kawalan yang lebih fleksibel dan andal untuk sambungan robot kolaboratif, sambil menggabungkan ciri-ciri kritikal seperti persepsi kendiri, membuat keputusan pintar, pelaksanaan yang cekap dan kawalan yang tepat—sekali gus memenuhi tuntutan pembangunan peralatan pintar.
2 Status Penyelidikan Semasa Di Dalam Negeri dan Antarabangsa
Pada tahun 1956, ahli fizik Amerika Joe Engelberger dan pencipta George Devol mengasaskan sebuah syarikat robotik bernama Unimation, yang berjaya membangunkan robot perindustrian pertama di dunia—Unimate—pada tahun 1959.
General Motors pertama kali menggunakan robot dalam pengeluaran perindustrian di kemudahannya di New Jersey pada tahun 1961. Pada tahun 1969, Jepun memperkenalkan robot dari Unimation, kemudian melesenkan teknologinya kepada Kawasaki Heavy Industries dan KUKAI Corporation yang berpangkalan di UK untuk operasi pembuatan robot di Jepun dan UK. Dengan kemajuan industri automotif Jepun, semakin banyak robot telah menggantikan tenaga kerja manusia dalam pengeluaran, menunjukkan sepenuhnya nilai praktikalnya. Akibatnya, Jepun telah memberi penekanan yang semakin meningkat pada pembangunan robotik perindustrian. Bermula dengan Kawasaki Heavy Industries sebagai perintis dalam penggunaan teknologi robot, diikuti dengan kemunculan syarikat robotik terkenal di dunia seperti FANUC dan Yaskawa, Jepun telah menjadi salah satu negara yang menguasai teknologi robotik canggih di seluruh dunia.
Pada tahun 1973, syarikat Jerman KUKA telah mengubah suai robot Unimate untuk mencipta robot enam darjah kebebasan pertama, Famulus, yang dikuasakan oleh motor elektrik. Pada tahun 1974, ASEA (pendahulu ABB), sebuah syarikat elektrik am Sweden, telah membangunkan robot elektrik sepenuhnya pertama di dunia, IRB 6, yang dikawal oleh mikropemproses, sekali gus meningkatkan kecerdasan robotik dengan ketara. Pada tahun 1978, Syarikat Unimation yang berpangkalan di AS telah menggunakan robot perindustrian PUMA mereka secara meluas di barisan pemasangan General Motors, sekali gus menunjukkan lagi kepraktisan dan nilai robot perindustrian dan menandakan kematangan penuh teknologi robotik perindustrian, sekali gus meletakkan asas yang kukuh untuk kemajuan teknologi seterusnya.
Sepanjang lebih empat dekad pembangunan robotik perindustrian, kemajuan teknologi telah berterusan. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh pertimbangan keselamatan, robot biasanya dipasang di stesen kerja tertentu dan diasingkan oleh penghadang, menghalangnya daripada bekerja bersebelahan dengan manusia dalam ruang yang sama. Konfigurasi tradisional ini mengehadkan kerjasama manusia-robot, menjadikannya sukar untuk mencapai operasi kerjasama yang benar-benar cekap. Walaupun terdapat banyak percubaan dan penerokaan, mencapai kerjasama manusia-robot yang selamat kekal sebagai cabaran utama dalam bidang robotik perindustrian.
Hanya pada tahun 2005 sebuah projek besar yang dibiayai oleh EU memperkenalkan konsep robot kolaboratif. Inisiatif ini telah menyatukan syarikat-syarikat robotik perindustrian terkemuka seperti ABB, KUKA, Reis, Comau dan Gudel untuk bersama-sama membangunkan robot mampu milik, padat dan fleksibel yang direka khusus untuk perusahaan kecil dan sederhana, bertujuan untuk mengurangkan pergantungan kepada penyumberan luar buruh. Projek ini secara eksplisit mengetengahkan potensi kerjasama manusia-robot, meletakkan asas yang kukuh untuk konsep robot kolaboratif.
Robot kolaboratif awal terutamanya merupakan pengubahsuaian dan aplikasi robot perindustrian tradisional, tanpa mengubah falsafah reka bentuk atau mod operasi mereka secara asasnya. Sejak penubuhannya pada tahun 2005, Universal Robots telah berdedikasi untuk membangunkan robot kolaboratif yang mampu bekerja dengan selamat bersama pekerja manusia. Pada tahun 2009, syarikat itu melancarkan UR5—robot kolaboratif pertama di dunia—menandakan permulaan era ini. Seterusnya, Rethink memperkenalkan Baxter dwi-lengan dan robot Sawyer lengan tunggal yang baharu, secara beransur-ansur menjadikan robotik kolaboratif sebagai disiplin yang diiktiraf dan diterima dalam robotik perindustrian. Kemajuan ini telah memberikan pandangan dan hala tuju baharu untuk automasi perindustrian dan pembangunan pintar masa hadapan.
Rajah 5: Robot UR5 dan robot Sawyer Baxter
Syarikat Robot Siasun, yang bergabung dengan Institut Automasi Shenyang Akademi Sains China, pertama kali mempamerkan robot kolaboratif fleksibel tujuh paksi yang mewakili tahap teknologi canggih China di Ekspo Perindustrian pada November 2015. Sejak itu, pelbagai model robot kolaboratif domestik seperti Luoshi dan Aobo telah secara beransur-ansur mendapat pengiktirafan.
Berkenaan sambungan robotik, perbezaan utama antara sambungan robot kolaboratif dan sambungan robot perindustrian tugas berat tradisional terletak pada "fleksibiliti" mereka. Fleksibiliti ini ditunjukkan melalui kekakuan mekanikal yang lebih rendah, inersia yang berkurangan dan keupayaan untuk mengesan tork. Pada masa ini, fleksibiliti sambungan yang digunakan dalam lengan robot kolaboratif terutamanya berpunca daripada kawalan kedudukan dan kawalan tork yang tepat.
Rajah 6 Struktur tipikal sambungan bersepadu dalam robot kolaboratif
Gambaran keseluruhan penyelidikan semasa mendedahkan bahawa pembangunan robotik China bermula lebih lewat berbanding negara-negara seperti Amerika Syarikat dan Jepun. Penyelidikan mengenai robot kolaboratif masih jauh ketinggalan di belakang produk antarabangsa sedia ada, dengan kesesakan utama terletak pada pengurang harmonik dan sistem kawalan pemacu motor sendi. Robot kolaboratif domestik kini mempunyai ruang yang besar untuk penambahbaikan dalam keupayaan kawalan sendi, terutamanya dari segi ketepatan kawalan dan kawalan pintar. Tambahan pula, trend penyelidikan robotik global menunjukkan bahawa keselamatan, fleksibiliti dan kecerdasan adalah ciri dominan kemajuan teknologi. Sambungan robot sedang berkembang ke arah sistem kawalan pemacu yang sangat bersepadu dan kecerdasan yang lebih tinggi. Walaupun sambungan robot kolaboratif telah beralih daripada kawalan berpusat tradisional kepada seni bina kawalan pemacu teragih, ia pada masa ini hanya melaksanakan tindakan yang didorong oleh motor, kekurangan keupayaan dalam persepsi autonomi, membuat keputusan pintar dan pelaksanaan yang tangkas—mengakibatkan tahap kecerdasan yang agak rendah. Masih terdapat potensi yang ketara untuk permintaan yang semakin meningkat untuk sistem robotik pintar.
Masa siaran: 22 Mei 2026
