1.1 Achtergrond van het onderzoek
Met de snelle vooruitgang van wetenschap en technologie,intelligente mogelijkhedenDe slimme productie blijft zich verbeteren en is daarmee een dominante trend in de industriële ontwikkeling. Zo blijkt uit gegevens van het Chinese Ministerie van Informatie-industrie dat de binnenlandse slimme productie in 2023 een opmerkelijke groei van 11,6% heeft gerealiseerd – een bewijs van de aanhoudende inspanningen en technologische innovatie van het land op dit gebied. Bovendien is het aantal innovaties binnen de slimme productiesector aanzienlijk toegenomen, in sectoren zoals de productie van hoogwaardige apparatuur, geavanceerde materialen en milieutechnologieën, wat de vitaliteit en de ingrijpende transformatie van de industrie weerspiegelt. Deze trend heeft niet alleen traditionele productiemethoden gerevolutioneerd, maar ook de industriële modernisering versneld, waardoor zowel de efficiëntie als de kwaliteit zijn verbeterd. Geautomatiseerde productielijnen en industriële robots vervangen steeds vaker menselijke arbeid.
Met de vooruitgang van detijdperk van intelligente productieDe sterk geautomatiseerde en intelligente technologische kenmerken van industriële robots sluiten perfect aan op de groeiende vraag van de maakindustrie naar hoge precisie, gebruiksgemak en flexibiliteit in productieprocessen. Dit heeft hun belang in de productie vergroot, waardoor ze een cruciale drijvende kracht zijn achter industriële transformatie en modernisering. Collaboratieve robots – industriële apparaten die zowel machine-naar-machine als mens-robot-samenwerking mogelijk maken – zijn een belangrijk aandachtspunt geworden in robotica-onderzoek vanwege hun autonome gedrag en samenwerkingsmogelijkheden, waardoor ze een dominante rol zullen spelen in de toekomstige industriële robotica. In collaboratieve robottechnologie bepalen de prestatieparameters van servomotoren – waaronder de reactiesnelheid van het koppel, de koppelnauwkeurigheid, de positioneringsprecisie, het stroomverbruik en de temperatuurstabiliteit – direct de bewegingsefficiëntie, stabiliteit en nauwkeurigheid van een robot. Als de krachtbron van robots heeft de prestatie van servosystemen een cruciale invloed op de bewegingsprecisie en betrouwbaarheid. Met name de servomotoren in de gewrichten spelen een essentiële rol bij het bereiken van positioneringsnauwkeurigheid. Een uitstekende servomotor in een gewricht zorgt voor een nauwkeurige positionering en stabiele beweging tijdens complexe taken, waardoor de operationele efficiëntie wordt verbeterd en fouten worden geminimaliseerd.
Het "14e Vijfjarenplan voor de ontwikkeling van de robotindustrie" legt de nadruk op het bevorderen van onderzoek naar intelligente, geïntegreerde robotgewrichten. Dergelijke gewrichten zijn met name geschikt voor collaboratieve robots. Het sterk geïntegreerde ontwerpconcept integreert onderliggende actuatoren, sensoren en drivers direct in het gewricht zelf, waardoor elk gewricht een op zichzelf staande besturingseenheid wordt. Door de interne structuur en lay-out te optimaliseren, reduceert de gedistribueerde besturingsarchitectuur het aantal kabels tussen de verschillende systeemniveaus aanzienlijk, wat leidt tot lagere onderhoudskosten en een hogere algehele betrouwbaarheid. Het modulaire ontwerp maakt bovendien de vervanging en het onderhoud van gewrichten eenvoudiger, waardoor de concurrentiepositie van collaboratieve robots aanzienlijk wordt versterkt.
Deconcept van collaboratieve robotsCollaboratieve robots werden voor het eerst geïntroduceerd in 1996. Hun ontwerpfilosofie bracht een revolutie teweeg in de traditionele robotica door gecoördineerde samenwerking tussen robots en mensen op productielijnen mogelijk te maken. Deze collaboratieve aanpak benut niet alleen de efficiëntie en precisie van robots, maar integreert ook menselijke intelligentie en flexibiliteit, waardoor de operationele efficiëntie en vloeiendheid worden verbeterd. In vergelijking met conventionele industriële robots vertonen collaboratieve robots distincte kenmerken, waardoor ze zich hebben gevestigd als een belangrijke subcategorie binnen de robotica. Zowel hun fysieke structuren als hun besturingssystemen hebben aanzienlijke aanpassingen ondergaan. Traditionele industriële robots – zoals de robotarmconfiguraties die in Figuur 1 worden weergegeven – worden voornamelijk gebruikt voor palletiseren, materiaalbehandeling, lassen en lasersnijden. Hoewel deze robots een hoge stijfheid, structurele stabiliteit en een groot draagvermogen hebben, kennen ze ook beperkingen: relatief grote afmetingen en massa, aanzienlijke bewegingsinertie, logge ontwerpen met weinig flexibiliteit en het onvermogen om zeer wendbare assemblagetaken uit te voeren. Bovendien vormen hun aanzienlijke inertiemomentum en hoge snelheden aanzienlijke veiligheidsrisico's voor personeel binnen hun werkgebied, waardoor ze in afgesloten ruimtes moeten werken.
Figuur 1 Traditionele industriële robotarmen en collaboratieve robots
Samenwerkingsrobots maken gelijktijdige werking met mensen in gedeelde ruimtes mogelijk en faciliteren interactie op korte afstand binnen samenwerkingszones. In vergelijking met traditionele robotarmen kunnen samenwerkingsrobots doorgaans een maximale belasting van 20 kg aan hun eindeffector dragen, met een werkbereik dat vergelijkbaar is met dat van een menselijke arm. Hun structuur is eenvoudiger dan die van conventionele industriële robotarmen met complexe transmissiemechanismen, terwijl ze tegelijkertijd gevoelige krachtterugkoppeling, lichtgewicht flexibiliteit en robuuste waarnemingsmogelijkheden bieden. Deze eigenschappen stellen hen in staat om de kracht dynamisch aan te passen tijdens interacties met mensen, waardoor schade door geweld effectief wordt voorkomen. Hierdoor kunnen samenwerkingsrobots veilig met mensen samenwerken om taken uit te voeren zonder dat traditionele veiligheidsbarrières nodig zijn.
Samenwerkende robots hebben direct contact met mensen; daarom is veiligheid een onmisbare vereiste bij samenwerking tussen mens en robot. Het is essentieel om het operationele vermogen en het rotatiekoppel strikt te controleren en tegelijkertijd technische maatregelen te nemen zoals stroomregeling, koppelregeling, contactsensoren en botsingsdetectie om letsel bij personeel te voorkomen. De intelligente aandrijfsystemen van robots vereisen bovendien verdere optimalisatie voor veiligheidsbeheer, waardoor adaptieve, soepele besturing mogelijk wordt door middel van dynamische berekeningen en op waarnemers gebaseerde modellering.
In een recent onderzoek benadrukte de International Federation of Robotics (IFR) dat de toekomstige ontwikkeling van robots vooral zal neigen naar eenvoud, gebruiksgemak, flexibiliteit en veilige samenwerking. Industriële robots zullen steeds hogere niveaus van automatisering en intelligentie bereiken; hun gebruiksvriendelijke ontwerp zal de operationele drempels verlagen, waardoor meer bedrijven moeiteloos robottechnologie kunnen inzetten om de productie-efficiëntie te verbeteren. Tegelijkertijd zullen ontwerpen met flexibele en veilige samenwerkingsmogelijkheden robots in staat stellen zich beter aan te passen aan diverse en complexe productieomgevingen, waardoor de samenwerking tussen mens en robot wordt vergemakkelijkt en de intelligente en efficiënte ontwikkeling van de industriële productie verder wordt bevorderd.
Figuur 2: Werkgebied van de collaboratieve robot
1.2 Onderzoeksrelevantie
In de huidige markt voor collaboratieve robotica hebben robots met zeven vrijheidsgraden de voorkeur vanwege hun uitgebreide werkingsbereik en flexibiliteit. Deze robots bieden redundante vrijheidsgraden, wat een groter potentieel biedt voor industriële automatisering en slimme productie. Elke vrijheidsgraad wordt bereikt via een robotgewricht, wat een cruciale factor is in het bepalen van de robotprestaties. De vier grote fabrikanten – FANUC, ABB, Yaskawa en KUKA – gebruiken elk verschillende transmissiesystemen in hun traditionele industriële robotarmen; in essentie gebruiken ze echter servomotoren in combinatie met kegeltandwielen, rechte tandwielen of synchrone riemen om de gewrichten aan te drijven voor rotatie. Deze transmissiemethoden beperken de grootte van robotgewrichten. Hoewel het mogelijk is om een hoge precisie te bereiken, blijft miniaturisatie een uitdaging. Zoals weergegeven in Figuur 3, vereisen traditionele industriële robots externe besturingskasten met servoaandrijvingen voor de motoren, waarbij elke motor met talloze draden is verbonden, waardoor de flexibele inzet van besturingssystemen wordt beperkt.
Figuur 3 Traditionele industriële robot en besturingskast
Aangezien de traditionele gewrichtsconfiguraties van industriële robotarmen niet langer voldoen aan de eisen van collaboratieve robots, hebben deze gewrichten de conventionele transmissiemechanismen ingeruild voor een nieuwe ontwerpfilosofie. Deze aanpak richt zich op het realiseren van lichtgewicht, laagspannings- en sterk geïntegreerde systemen door de controller, servodriver en motor in het gewricht zelf te integreren, waarbij de onderliggende elektrische verbindingen ook intern worden uitgevoerd. Slechts een minimaal aantal besturingsinterfaces is extern zichtbaar, wat de externe bedrading vereenvoudigt en de technische complexiteit vermindert. Een dergelijk ontwerp wordt een geïntegreerd gewricht genoemd.
Gezien de huidige ontwikkelingsbehoeften en trends in gewrichten voor collaboratieve robots, is het ontwerpen van een lichtgewicht, energiezuinig, sterk geïntegreerd en hoogwaardig geïntegreerd gewricht voor collaboratieve robots van cruciaal belang. Een dergelijk geïntegreerd gewricht bevat alle essentiële componenten die nodig zijn voor gewrichtsbeweging – inclusief actuatoren, controllers, drivers en sensoren – en kan onafhankelijk functioneren als een op zichzelf staande module. Wanneer het via eenvoudige stroom- en besturingsbussen is verbonden met de hoofdcontroller of andere modules, verbetert dit zeer samenhangende, maar toch laag-koppelende ontwerp de schaalbaarheid van collaboratieve robots aanzienlijk. Door dit geïntegreerde modulaire gewricht te gebruiken en te combineren met robotarmen en eindeffectoren van de juiste afmetingen, kunnen collaboratieve robots die zijn afgestemd op diverse eisen eenvoudig worden samengesteld.
Figuur 4 Schematisch diagram van de modulaire verbinding
Onderzoek naar geïntegreerde gewrichten voor collaboratieve robots en hun servobesturingssystemen is van groot belang voor de vooruitgang van collaboratieve robotica. De kerntechnologieën van deze geïntegreerde gewrichten bestaan uit twee belangrijke componenten: harmonische reductoren en aandrijf- en besturingssystemen voor de gewrichten, samen met de bijbehorende besturingsalgoritmen. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. richt zich in haar onderzoek op aandrijf- en besturingssystemen voor de gewrichten van collaboratieve robots en voert diepgaande studies uit naar aandrijf- en besturingsmechanismen voor gewrichten. Het bedrijf ontwikkelt een reeks zeer intelligente, geïntegreerde robotgewrichtmotoren die flexibelere en betrouwbaardere besturingsmogelijkheden bieden voor de gewrichten van collaboratieve robots, met essentiële kenmerken zoals zelfherkenning, intelligente besluitvorming, behendige uitvoering en precieze besturing – en zo voldoen aan de eisen van de ontwikkeling van slimme apparatuur.
2. Huidige onderzoeksstatus in binnen- en buitenland
In 1956 richtten de Amerikaanse natuurkundige Joe Engelberger en uitvinder George Devol het robotica-bedrijf Unimation op, dat in 1959 met succes 's werelds eerste industriële robot ontwikkelde: de Unimate.
General Motors zette in 1961 voor het eerst robots in voor industriële productie in zijn fabriek in New Jersey. In 1969 introduceerde Japan robots van Unimation en gaf later een licentie voor deze technologie aan Kawasaki Heavy Industries en het Britse KUKAI Corporation voor respectievelijk robotproductie in Japan en het Verenigd Koninkrijk. Met de vooruitgang van de Japanse auto-industrie hebben steeds meer robots menselijke arbeid in de productie vervangen, waarmee hun praktische waarde volledig is aangetoond. Japan heeft daarom steeds meer nadruk gelegd op de ontwikkeling van industriële robotica. Beginnend met Kawasaki Heavy Industries als pionier in de toepassing van robottechnologie, gevolgd door de opkomst van wereldberoemde robotica-bedrijven zoals FANUC en Yaskawa, is Japan uitgegroeid tot een van de landen die wereldwijd de meest geavanceerde robottechnologieën beheersen.
In 1973 paste het Duitse bedrijf KUKA de Unimate-robot aan om de eerste robot met zes vrijheidsgraden te creëren, de Famulus, aangedreven door een elektromotor. In 1974 ontwikkelde ASEA (de voorganger van ABB), een Zweeds elektrotechnisch bedrijf, 's werelds eerste volledig elektrische robot, de IRB 6, bestuurd door een microprocessor, wat de intelligentie van robots aanzienlijk verbeterde. In 1978 zette het Amerikaanse bedrijf Unimation zijn industriële robot PUMA op grote schaal in op de assemblagelijnen van General Motors, waarmee de praktische bruikbaarheid en waarde van industriële robots verder werden aangetoond en de volledige volwassenheid van de industriële robottechnologie werd bereikt. Hiermee werd een solide basis gelegd voor latere technologische ontwikkelingen.
In de meer dan veertig jaar dat industriële robotica zich ontwikkelt, zijn er voortdurend technologische vooruitgangen geboekt. Vanwege veiligheidsoverwegingen zijn robots echter doorgaans vastgezet op specifieke werkplekken en afgeschermd door leuningen, waardoor ze niet zij aan zij met mensen in dezelfde ruimte kunnen werken. Deze traditionele configuratie beperkt de samenwerking tussen mens en robot, waardoor het moeilijk is om echt efficiënte samenwerking te realiseren. Ondanks talloze pogingen en onderzoeken blijft het bereiken van veilige samenwerking tussen mens en robot een grote uitdaging op het gebied van industriële robotica.
Pas in 2005 introduceerde een groot, door de EU gefinancierd project het concept van collaboratieve robots. Dit initiatief bracht toonaangevende bedrijven in de industriële robotica, zoals ABB, KUKA, Reis, Comau en Gudel, samen om gezamenlijk een betaalbare, compacte en flexibele robot te ontwikkelen, specifiek ontworpen voor kleine en middelgrote ondernemingen, met als doel de afhankelijkheid van uitbesteding van arbeid te verminderen. Dit project benadrukte expliciet het potentieel van samenwerking tussen mens en robot en legde daarmee een solide basis voor het concept van collaboratieve robots.
De eerste collaboratieve robots waren voornamelijk aanpassingen en toepassingen van traditionele industriële robots, zonder hun ontwerpfilosofie of werkingswijze fundamenteel te veranderen. Sinds de oprichting in 2005 heeft Universal Robots zich toegelegd op de ontwikkeling van collaboratieve robots die veilig naast menselijke werknemers kunnen werken. In 2009 lanceerde het bedrijf de UR5 – 's werelds eerste collaboratieve robot – waarmee dit tijdperk aanbrak. Vervolgens introduceerde Rethink de Baxter met twee armen en de nieuwe Sawyer-robot met één arm, waarmee collaboratieve robotica geleidelijk aan een erkende en geaccepteerde discipline binnen de industriële robotica werd. Deze vooruitgang heeft nieuwe inzichten en richtingen opgeleverd voor toekomstige industriële automatisering en intelligente ontwikkeling.
Afbeelding 5: UR5-robot en Sawyer Baxter-robot
Het robotbedrijf Siasun, verbonden aan het Shenyang Instituut voor Automatisering van de Chinese Academie van Wetenschappen, presenteerde in november 2015 op de Industriële Expo voor het eerst een flexibele zevenassige collaboratieve robot die het geavanceerde technologische niveau van China vertegenwoordigde. Sindsdien hebben talrijke Chinese collaboratieve robotmodellen, zoals Luoshi en Aobo, geleidelijk aan erkenning gekregen.
Wat robotgewrichten betreft, ligt het voornaamste verschil tussen gewrichten van collaboratieve robots en die van traditionele, zware industriële robots in hun "flexibiliteit". Deze flexibiliteit manifesteert zich in een lagere mechanische stijfheid, een verminderde inertie en het vermogen om koppel te detecteren. Momenteel komt de gewrichtsflexibiliteit die wordt toegepast in collaboratieve robotarmen voornamelijk voort uit nauwkeurige positie- en koppelregeling.
Figuur 6 Typische structuur van het geïntegreerde gewricht in collaboratieve robots
Een overzicht van huidig onderzoek laat zien dat de ontwikkeling van robotica in China later op gang is gekomen dan in landen als de Verenigde Staten en Japan. Onderzoek naar collaboratieve robots loopt nog steeds aanzienlijk achter op bestaande internationale producten, met name op het gebied van harmonische reductiekasten en motorbesturingssystemen voor gewrichten. De mogelijkheden van collaboratieve robots in China zijn nog aanzienlijk te verbeteren, met name wat betreft besturingsprecisie en intelligente aansturing. Bovendien wijzen wereldwijde onderzoekstrends in de robotica erop dat veiligheid, flexibiliteit en intelligentie dominante kenmerken zijn van technologische vooruitgang. Robotgewrichten evolueren naar sterk geïntegreerde aandrijf- en besturingssystemen en een grotere intelligentie. Hoewel collaboratieve robotgewrichten zijn overgestapt van traditionele gecentraliseerde besturing naar gedistribueerde aandrijf- en besturingssystemen, voeren ze momenteel alleen motorisch aangedreven acties uit en missen ze mogelijkheden voor autonome waarneming, intelligente besluitvorming en behendige uitvoering – wat resulteert in een relatief laag intelligentieniveau. Er is nog steeds een aanzienlijk potentieel voor een groeiende vraag naar intelligente robotsystemen.
Geplaatst op: 22 mei 2026
