1.1 Antecedents de la recerca
Amb el ràpid avenç de la ciència i la tecnologia,capacitats intel·ligentscontinuen millorant, convertint la fabricació intel·ligent en una tendència predominant en el desenvolupament industrial. Per exemple, les dades publicades pel Ministeri d'Indústria de la Informació de la Xina mostren que la fabricació intel·ligent nacional va aconseguir un creixement notable de l'11,6% el 2023, un testimoni dels esforços sostinguts i la innovació tecnològica del país en aquest camp. A més, el nombre d'innovacions entre les empreses de fabricació intel·ligent ha augmentat significativament, abastant sectors com la fabricació d'equips d'alta gamma, materials avançats i tecnologies ambientals, reflectint la vitalitat i la profunda transformació de la indústria. Aquesta tendència no només ha revolucionat els mètodes de producció tradicionals, sinó que també ha accelerat la modernització industrial, millorant tant l'eficiència com la qualitat. Cada cop més, les línies de producció automatitzades i els robots industrials estan substituint la mà d'obra humana.
Amb l'avanç de laera de la fabricació intel·ligent, les característiques tecnològiques altament automatitzades i intel·ligents dels robots industrials s'alineen perfectament amb les creixents demandes de la indústria manufacturera d'alta precisió, facilitat operativa i flexibilitat en els processos de producció. Això ha elevat la seva importància en la fabricació, convertint-los en una força fonamental que impulsa la transformació i la modernització industrial. Els robots col·laboratius —dispositius industrials capaços d'aconseguir tant la col·laboració màquina-màquina com la col·laboració humà-robot— han emergit com un focus clau en la investigació de la robòtica a causa del seu comportament autònom i les seves capacitats de col·laboració, cosa que els posiciona per tenir un paper dominant en la futura robòtica industrial. En la tecnologia de robots col·laboratius, les mètriques de rendiment dels servomotors —inclosa la velocitat de resposta de parell, la precisió del parell, la precisió del posicionament, el consum d'energia i l'estabilitat de la temperatura— determinen directament l'eficiència, l'estabilitat i la precisió del moviment d'un robot. Com a nucli de potència dels robots, el rendiment dels servosistemes té un impacte crític en la precisió i la fiabilitat del moviment. En particular, els servomotors articulars tenen un paper fonamental per aconseguir la precisió del posicionament. Un excel·lent servomotor articular garanteix un posicionament precís i un moviment estable durant tasques complexes, millorant així l'eficiència operativa i minimitzant els errors.
El «14è Pla quinquennal per al desenvolupament de la indústria robòtica» emfatitza l'avanç de la recerca sobre unions robòtiques integrades intel·ligents, sent aquestes unions particularment adequades per a robots col·laboratius. El seu concepte de disseny altament integrat incorpora actuadors, sensors i controladors subjacents directament a la mateixa unió, convertint cada unió en una unitat de control independent. En optimitzar l'estructura i la disposició internes, l'arquitectura de control distribuït redueix significativament el nombre de cables entre els diferents nivells del sistema, reduint així els costos de manteniment i millorant la fiabilitat general. El disseny modular també facilita la substitució i el manteniment de les unions, augmentant substancialment la competitivitat del mercat dels robots col·laboratius.
Elconcepte de robots col·laboratiuses va introduir per primera vegada el 1996, amb una filosofia de disseny que revolucionava la robòtica tradicional permetent operacions coordinades entre robots i humans a les línies de producció. Aquest enfocament col·laboratiu no només aprofita l'eficiència i la precisió dels robots, sinó que també integra la intel·ligència i la flexibilitat humanes, millorant l'eficiència i la fluïdesa operatives. En comparació amb els robots industrials convencionals, els robots col·laboratius presenten característiques diferents, establint-se com una subcategoria important dins del camp de la robòtica. Tant les seves estructures físiques com els seus sistemes de control han experimentat modificacions substancials. Els robots industrials tradicionals, com ara les configuracions del braç robòtic que es mostren a la Figura 1, s'utilitzen principalment en aplicacions de paletització, manipulació de materials, soldadura i tall per làser. Si bé aquests robots presenten una alta rigidesa, estabilitat estructural i una forta capacitat de càrrega, també presenten limitacions: mida i massa relativament grans, inèrcia de moviment significativa, dissenys voluminosos amb poca flexibilitat i incapacitat per realitzar tasques de muntatge altament àgils. A més, el seu impuls inercial substancial i els moviments d'alta velocitat representen riscos de seguretat considerables per al personal dins del seu radi operatiu, cosa que requereix l'operació dins d'àrees tancades.
Figura 1 Braços robòtics industrials tradicionals i robots col·laboratius
Els robots col·laboratius permeten el funcionament simultani amb humans en espais compartits i faciliten la interacció a curta distància dins de zones de col·laboració. En comparació amb els braços robòtics tradicionals, els robots col·laboratius solen suportar una càrrega màxima de 20 kg al seu efector final, amb un abast operatiu comparable al de l'abast d'un braç humà. La seva estructura és més senzilla que la dels braços robòtics industrials convencionals que presenten mecanismes de transmissió complexos, alhora que ofereixen una retroalimentació de força sensible, flexibilitat lleugera i capacitats de percepció robustes. Aquestes característiques els permeten ajustar dinàmicament la força durant les interaccions humanes, evitant eficaçment danys violents. En conseqüència, els robots col·laboratius poden col·laborar amb seguretat amb els humans per completar tasques sense necessitat de barreres de seguretat tradicionals.
Els robots col·laboratius realitzen operacions de contacte directe amb humans; per tant, la seguretat és un requisit indispensable en la col·laboració humà-robot. És essencial controlar estrictament la potència operativa i el parell de rotació alhora que s'utilitzen mesures tècniques com el control del corrent, el control del parell, els sensors de contacte i la detecció de col·lisions per evitar lesions al personal. Els sistemes intel·ligents de control de la tracció dels robots també requereixen una optimització addicional per a la gestió de la seguretat, permetent un control adaptatiu i suau mitjançant càlculs dinàmics i models basats en observadors.
En un estudi recent, la Federació Internacional de Robòtica (IFR) va destacar que el desenvolupament futur de robots mostrarà principalment tendències cap a la simplicitat, la facilitat d'ús, la flexibilitat i la col·laboració segura. Els robots industrials assoliran progressivament nivells més alts d'automatització i intel·ligència; el seu disseny fàcil d'utilitzar reduirà les barreres operatives, permetent a més empreses aprofitar sense esforç la tecnologia robòtica per millorar l'eficiència de la producció. Mentrestant, els dissenys amb flexibilitat i capacitats de col·laboració segura permetran als robots adaptar-se millor a entorns de producció diversos i complexos, facilitant la col·laboració humà-robot i avançant encara més en el desenvolupament intel·ligent i eficient de la producció industrial.
Figura 2: Àrea de treball del robot col·laboratiu
1.2 Importància de la recerca
En el mercat actual de la robòtica col·laborativa, els robots de set graus de llibertat són els preferits pel seu ampli rang operatiu i flexibilitat. Aquests robots proporcionen graus de llibertat redundants, oferint un major potencial per a l'automatització industrial i la fabricació intel·ligent. Cada grau de llibertat s'aconsegueix mitjançant una articulació robòtica, que serveix com a factor crític per determinar el rendiment robòtic. Els quatre principals fabricants (FANUC, ABB, Yaskawa i KUKA) utilitzen sistemes de transmissió diferents en els seus braços robòtics industrials tradicionals; tanmateix, essencialment utilitzen servomotors combinats amb engranatges cònics, engranatges rectes o corretges síncrones per transmetre la potència a les articulacions per a la rotació. Aquests mètodes de transmissió limiten la mida de les articulacions robòtiques. Si bé és possible aconseguir una alta precisió, la miniaturització continua sent un repte. Com es mostra a la Figura 3, els robots industrials tradicionals requereixen armaris de control externs que allotgin els servomotors del motor, amb nombrosos cables que connecten cada motor a l'armari, restringint així el desplegament flexible dels sistemes de control.
Figura 3 Robot industrial tradicional i armari de control
Atès que les configuracions tradicionals d'unions dels braços robòtics industrials ja no poden complir els requisits dels robots col·laboratius, aquestes unions han abandonat els mecanismes de transmissió convencionals en favor d'una nova filosofia de disseny. Aquest enfocament se centra en aconseguir sistemes lleugers, de baix voltatge i altament integrats integrant el controlador, el servomotor i el motor dins de la mateixa unió, amb connexions elèctriques subjacents també implementades internament. Només un nombre mínim d'interfícies de control s'exposen externament, simplificant el cablejat extern i reduint la complexitat de l'enginyeria. Aquest disseny es coneix com a unió integrada.
Ateses les necessitats i tendències de desenvolupament actuals en unions de robots col·laboratius, el disseny d'una unió de robot col·laboratiu integrada lleugera, de baix voltatge, altament integrada i d'alt rendiment és particularment crucial. Aquesta unió integrada incorpora tots els components essencials necessaris per al moviment de l'unió, inclosos actuadors, controladors, impulsors i sensors, i pot funcionar independentment com un mòdul autònom. Quan es connecta al controlador principal o a altres mòduls mitjançant busos d'alimentació i control simples, aquest disseny altament cohesionat però de baix acoblament millora significativament l'escalabilitat dels robots col·laboratius. Mitjançant l'ús d'aquesta unió modular integrada i l'aparellament amb braços robòtics i efectors finals de la mida adequada, es poden muntar fàcilment robots col·laboratius adaptats a diversos requisits.
Figura 4 Diagrama esquemàtic de la junta modular
La recerca sobre unions integrades per a robots col·laboratius i els seus sistemes de servocontrol té una importància significativa per a l'avanç de la robòtica col·laborativa. Les tecnologies bàsiques d'aquestes unions integrades consten de dos components clau: reductors harmònics i sistemes de control d'accionament de motors d'articulació juntament amb els seus corresponents algoritmes de control. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. centra la seva recerca en sistemes de control d'accionament de motors d'articulació per a robots col·laboratius, realitzant estudis en profunditat sobre els mecanismes d'accionament i control de motors d'articulació. L'empresa està desenvolupant una sèrie de productes de motors d'articulació de robots integrats altament intel·ligents que permeten unes capacitats de control més flexibles i fiables per a unions de robots col·laboratius, alhora que incorporen característiques crítiques com l'autopercepció, la presa de decisions intel·ligent, l'execució hàbil i el control precís, satisfent així les demandes del desenvolupament d'equips intel·ligents.
2 Estat actual de la recerca a nivell nacional i internacional
El 1956, el físic estatunidenc Joe Engelberger i l'inventor George Devol van fundar una empresa de robòtica anomenada Unimation, que va desenvolupar amb èxit el primer robot industrial del món, l'Unimate, el 1959.
General Motors va desplegar robots per primera vegada en la producció industrial a les seves instal·lacions de Nova Jersey el 1961. El 1969, el Japó va introduir robots d'Unimation, i posteriorment va llicenciar la seva tecnologia a Kawasaki Heavy Industries i a la KUKAI Corporation, amb seu al Regne Unit, per a operacions de fabricació de robots al Japó i al Regne Unit, respectivament. Amb l'avanç de la indústria automobilística japonesa, un nombre creixent de robots han substituït la mà d'obra humana en la producció, demostrant plenament el seu valor pràctic. En conseqüència, el Japó ha posat un èmfasi creixent en el desenvolupament de la robòtica industrial. Començant amb Kawasaki Heavy Industries com a pionera en l'adopció de tecnologia robòtica, seguida de l'aparició d'empreses de robòtica de renom mundial com FANUC i Yaskawa, el Japó s'ha convertit en una de les nacions que dominen les tecnologies robòtiques d'avantguarda a nivell mundial.
El 1973, l'empresa alemanya KUKA va modificar el robot Unimate per crear el primer robot de sis graus de llibertat, el Famulus, impulsat per un motor elèctric. El 1974, ASEA (el predecessor d'ABB), una empresa sueca d'electricitat general, va desenvolupar el primer robot totalment elèctric del món, l'IRB 6, controlat per un microprocessador, millorant significativament la intel·ligència robòtica. El 1978, l'empresa Unimation, amb seu als Estats Units, va desplegar àmpliament el seu robot industrial PUMA a les línies de muntatge de General Motors, demostrant encara més la practicitat i el valor dels robots industrials i marcant la plena maduresa de la tecnologia de la robòtica industrial, establint així una base sòlida per a posteriors avenços tecnològics.
Durant les més de quatre dècades de desenvolupament de la robòtica industrial, els avenços tecnològics han estat continus. Tanmateix, a causa de consideracions de seguretat, els robots solen estar fixats en estacions de treball específiques i aïllats per baranes, cosa que els impedeix treballar colze a colze amb els humans en el mateix espai. Aquesta configuració tradicional limita la col·laboració humà-robot, cosa que dificulta la consecució d'operacions cooperatives realment eficients. Malgrat nombrosos intents i exploracions, aconseguir una col·laboració segura entre humans i robots continua sent un repte important en el camp de la robòtica industrial.
No va ser fins al 2005 que un important projecte finançat per la UE va introduir el concepte de robots col·laboratius. La iniciativa va reunir empreses líders en robòtica industrial com ABB, KUKA, Reis, Comau i Gudel per desenvolupar conjuntament un robot assequible, compacte i flexible dissenyat específicament per a petites i mitjanes empreses, amb l'objectiu de reduir la dependència de l'externalització de la mà d'obra. Aquest projecte va destacar explícitament el potencial de la col·laboració humà-robot, establint una base sòlida per al concepte de robots col·laboratius.
Els primers robots col·laboratius eren principalment modificacions i aplicacions de robots industrials tradicionals, sense alterar fonamentalment la seva filosofia de disseny ni els seus modes operatius. Des de la seva creació el 2005, Universal Robots s'ha dedicat a desenvolupar robots col·laboratius capaços de treballar amb seguretat al costat dels treballadors humans. El 2009, l'empresa va llançar l'UR5, el primer robot col·laboratiu del món, marcant l'alba d'aquesta era. Posteriorment, Rethink va introduir el Baxter de doble braç i el nou robot Sawyer d'un sol braç, establint gradualment la robòtica col·laborativa com una disciplina reconeguda i acceptada dins de la robòtica industrial. Aquest avenç ha proporcionat nous coneixements i direccions per a l'automatització industrial futura i el desenvolupament intel·ligent.
Figura 5: Robot UR5 i robot Sawyer Baxter
Siasun Robot Company, afiliada a l'Institut d'Automatització de Shenyang de l'Acadèmia Xinesa de les Ciències, va presentar per primera vegada un robot col·laboratiu flexible de set eixos que representava el nivell tecnològic avançat de la Xina a l'Exposició Industrial del novembre de 2015. Des de llavors, nombrosos models de robots col·laboratius nacionals com ara Luoshi i Aobo han anat guanyant reconeixement gradualment.
Pel que fa a les unions robòtiques, la principal distinció entre les unions de robots col·laboratius i les dels robots industrials tradicionals de gran resistència rau en la seva "flexibilitat". Aquesta flexibilitat es manifesta a través d'una menor rigidesa mecànica, una inèrcia reduïda i la capacitat de detectar el parell motor. Actualment, la flexibilitat de les unions emprada en els braços robòtics col·laboratius prové principalment del control precís de la posició i del control del parell motor.
Figura 6 Estructura típica de l'articulació integrada en robots col·laboratius
Una visió general de la recerca actual revela que el desenvolupament de la robòtica a la Xina va començar més tard que el de països com els Estats Units i el Japó. La recerca sobre robots col·laboratius encara està significativament endarrerida respecte als productes internacionals existents, amb colls d'ampolla clau en els reductors d'harmònics i els sistemes de control de l'accionament del motor articular. Els robots col·laboratius nacionals actualment tenen un marge de millora substancial en les capacitats de control de les articulacions, especialment pel que fa a la precisió del control i el control intel·ligent. A més, les tendències globals de recerca en robòtica indiquen que la seguretat, la flexibilitat i la intel·ligència són característiques dominants de l'avanç tecnològic. Les articulacions robòtices estan evolucionant cap a sistemes de control d'accionament altament integrats i una major intel·ligència. Tot i que les articulacions robòtices col·laboratives han passat del control centralitzat tradicional a les arquitectures de control d'accionament distribuïdes, actualment només executen accions impulsades per motors, mancant de capacitats de percepció autònoma, presa de decisions intel·ligent i execució hàbil, la qual cosa resulta en nivells relativament baixos d'intel·ligència. Encara hi ha un potencial significatiu per a l'expansió de la demanda de sistemes robòtics intel·ligents.
Data de publicació: 22 de maig de 2026
