1.1 Antecedentes da investigación
Co rápido avance da ciencia e da tecnoloxía,capacidades intelixentescontinúan mellorando, facendo da fabricación intelixente unha tendencia predominante no desenvolvemento industrial. Por exemplo, os datos publicados polo Ministerio da Industria da Información da China mostran que a fabricación intelixente nacional alcanzou un crecemento notable do 11,6 % en 2023, un testemuño dos esforzos sostidos e da innovación tecnolóxica do país neste campo. Ademais, o número de innovacións entre as empresas de fabricación intelixente aumentou significativamente, abarcando sectores como a fabricación de equipos de alta gama, os materiais avanzados e as tecnoloxías ambientais, o que reflicte a vitalidade e a profunda transformación da industria. Esta tendencia non só revolucionou os métodos tradicionais de produción manufactureira, senón que tamén acelerou a modernización industrial, mellorando tanto a eficiencia como a calidade. Cada vez máis, as liñas de produción automatizadas e os robots industriais están a substituír o traballo humano.
Co avance doera da fabricación intelixente, as características tecnolóxicas altamente automatizadas e intelixentes dos robots industriais aliñanse perfectamente coas crecentes demandas da industria manufacturera de alta precisión, facilidade operativa e flexibilidade nos procesos de produción. Isto elevou a súa importancia na fabricación, converténdoos nunha forza fundamental que impulsa a transformación e a modernización industrial. Os robots colaborativos (dispositivos industriais capaces de lograr a colaboración máquina-máquina e humano-robot) emerxeron como un foco clave na investigación da robótica debido ao seu comportamento autónomo e ás súas capacidades de colaboración, o que os posiciona para desempeñar un papel dominante na robótica industrial do futuro. Na tecnoloxía de robots colaborativos, as métricas de rendemento dos servomotores (incluíndo a velocidade de resposta do par, a precisión do par, a precisión do posicionamento, o consumo de enerxía e a estabilidade da temperatura) determinan directamente a eficiencia, a estabilidade e a precisión do movemento dun robot. Como núcleo de potencia dos robots, o rendemento dos servosistemas inflúe fundamentalmente na precisión e fiabilidade do movemento. En particular, os servomotores articulares desempeñan un papel fundamental para lograr a precisión do posicionamento. Un excelente servomotor articular garante un posicionamento preciso e un movemento estable durante tarefas complexas, mellorando así a eficiencia operativa e minimizando os erros.
O «14.º Plan Quinquenal para o Desenvolvemento da Industria Robótica» fai fincapé no avance da investigación sobre articulacións robóticas integradas intelixentes, sendo estas articulacións especialmente axeitadas para robots colaborativos. O seu concepto de deseño altamente integrado incorpora actuadores, sensores e controladores subxacentes directamente na propia articulación, convertendo cada articulación nunha unidade de control independente. Ao optimizar a estrutura e a disposición internas, a arquitectura de control distribuído reduce significativamente o número de cables entre os diferentes niveis do sistema, reducindo así os custos de mantemento e mellorando a fiabilidade xeral. O deseño modular tamén facilita a substitución e o mantemento das articulacións, o que aumenta substancialmente a competitividade do mercado dos robots colaborativos.
O/Aconcepto de robots colaborativosintroduciuse por primeira vez en 1996, cunha filosofía de deseño que revolucionou a robótica tradicional ao permitir operacións coordinadas entre robots e humanos nas liñas de produción. Esta abordaxe colaborativa non só aproveita a eficiencia e a precisión dos robots, senón que tamén integra a intelixencia e a flexibilidade humanas, mellorando a eficiencia e a fluidez operativas. En comparación cos robots industriais convencionais, os robots colaborativos presentan características distintas, o que se establece como unha subcategoría significativa dentro do campo da robótica. Tanto as súas estruturas físicas como os seus sistemas de control sufriron modificacións substanciais. Os robots industriais tradicionais, como as configuracións do brazo robótico que se mostran na Figura 1, úsanse principalmente en aplicacións de paletización, manipulación de materiais, soldadura e corte por láser. Aínda que estes robots presentan unha alta rixidez, estabilidade estrutural e unha forte capacidade de carga, tamén presentan limitacións: tamaño e masa relativamente grandes, inercia de movemento significativa, deseños voluminosos con pouca flexibilidade e incapacidade para realizar tarefas de montaxe moi áxiles. Ademais, o seu importante momento de inercia e os seus movementos de alta velocidade supoñen riscos de seguridade considerables para o persoal dentro do seu radio operativo, o que fai necesario o funcionamento dentro de áreas pechadas.
Figura 1 Brazos robóticos industriais tradicionais e robots colaborativos
Os robots colaborativos permiten o funcionamento simultáneo con humanos en espazos compartidos e facilitan a interacción a curta distancia dentro das zonas de colaboración. En comparación cos brazos robóticos tradicionais, os robots colaborativos adoitan soportar unha carga máxima de 20 kg no seu efector final, cun alcance operativo comparable ao do alcance dun brazo humano. A súa estrutura é máis simple que a dos brazos robóticos industriais convencionais que presentan mecanismos de transmisión complexos, ao tempo que ofrecen unha retroalimentación de forza sensible, flexibilidade lixeira e robustas capacidades de percepción. Estas características permítenlles axustar dinamicamente a forza durante as interaccións humanas, evitando eficazmente danos violentos. En consecuencia, os robots colaborativos poden colaborar con seguridade cos humanos para completar tarefas sen necesidade de barreiras de seguridade tradicionais.
Os robots colaborativos realizan operacións de contacto directo con persoas; polo tanto, a seguridade é un requisito indispensable na colaboración entre persoas e robots. É esencial controlar estritamente a potencia operativa e o par de rotación, ao mesmo tempo que se empregan medidas técnicas como o control da corrente, o control do par, os sensores de contacto e a detección de colisións para evitar lesións ao persoal. Os sistemas intelixentes de control de accionamento dos robots tamén requiren unha maior optimización para a xestión da seguridade, o que permite un control adaptativo e suave mediante cálculos dinámicos e modelado baseado en observadores.
Nun estudo recente, a Federación Internacional de Robótica (IFR) destacou que o desenvolvemento futuro dos robots mostrará principalmente tendencias cara á simplicidade, a facilidade de uso, a flexibilidade e a colaboración segura. Os robots industriais alcanzarán progresivamente niveis máis altos de automatización e intelixencia; o seu deseño intuitivo reducirá as barreiras operativas, o que permitirá que máis empresas aproveiten sen esforzo a tecnoloxía robótica para mellorar a eficiencia da produción. Mentres tanto, os deseños con flexibilidade e capacidades de colaboración segura permitirán que os robots se adapten mellor a contornas de produción diversas e complexas, facilitando a colaboración humano-robot e avanzando aínda máis no desenvolvemento intelixente e eficiente da produción industrial.
Figura 2: Área de traballo do robot colaborativo
1.2 Importancia da investigación
No mercado actual da robótica colaborativa, os robots de sete graos de liberdade son os preferidos polo seu amplo rango operativo e flexibilidade. Estes robots proporcionan graos de liberdade redundantes, o que ofrece un maior potencial para a automatización industrial e a fabricación intelixente. Cada grao de liberdade conséguese mediante unha articulación robótica, que serve como un factor crítico para determinar o rendemento robótico. Os catro principais fabricantes (FANUC, ABB, Yaskawa e KUKA) empregan sistemas de transmisión distintos nos seus brazos robóticos industriais tradicionais; non obstante, utilizan esencialmente servomotores emparellados con engrenaxes cónicas, engrenaxes rectas ou correas síncronas para transmitir a potencia ás articulacións para a rotación. Estes métodos de transmisión limitan o tamaño das articulacións robóticas. Aínda que é posible lograr unha alta precisión, a miniaturización segue a ser un reto. Como se mostra na Figura 3, os robots industriais tradicionais requiren armarios de control externos que aloxen os servomotores, con numerosos cables que conectan cada motor ao armario, o que restrinxe o despregamento flexible dos sistemas de control.
Figura 3 Robot industrial tradicional e armario de control
Dado que as configuracións tradicionais das unións dos brazos robóticos industriais xa non poden cumprir os requisitos dos robots colaborativos, estas unións abandonaron os mecanismos de transmisión convencionais en favor dunha nova filosofía de deseño. Esta estratexia céntrase en conseguir sistemas lixeiros, de baixa tensión e altamente integrados mediante a integración do controlador, o servomotor e o motor dentro da propia unión, con conexións eléctricas subxacentes tamén implementadas internamente. Só un número mínimo de interfaces de control están expostas externamente, o que simplifica o cableado externo e reduce a complexidade da enxeñaría. Este deseño denomínase unión integrada.
Dadas as necesidades e tendencias actuais de desenvolvemento en unións de robots colaborativos, o deseño dunha unión de robot colaborativo integrada lixeira, de baixa tensión, altamente integrada e de alto rendemento é particularmente crucial. Unha unión integrada deste tipo incorpora todos os compoñentes esenciais necesarios para o movemento da unión, incluídos actuadores, controladores, impulsores e sensores, e pode funcionar de forma independente como un módulo independente. Cando se conecta ao controlador principal ou a outros módulos a través de buses de alimentación e control sinxelos, este deseño altamente cohesivo pero de baixo acoplamento mellora significativamente a escalabilidade dos robots colaborativos. Ao utilizar esta unión modular integrada e emparellala con brazos robóticos e efectores finais de tamaño axeitado, pódense montar facilmente robots colaborativos adaptados a diversos requisitos.
Figura 4 Diagrama esquemático da unión modular
A investigación sobre unións integradas para robots colaborativos e os seus sistemas de servocontrol ten unha importancia significativa para o avance da robótica colaborativa. As tecnoloxías principais destas unións integradas constan de dous compoñentes clave: redutores de harmónicos e sistemas de control de accionamento de motores de unión xunto cos seus correspondentes algoritmos de control. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. centra a súa investigación en sistemas de control de accionamento de motores de unión para robots colaborativos, realizando estudos en profundidade sobre os mecanismos de control e accionamento de motores de unión. A empresa está a desenvolver unha serie de produtos de motores de unión de robots integrados altamente intelixentes que permiten capacidades de control máis flexibles e fiables para unións de robots colaborativos, ao tempo que incorporan características críticas como a autopercepción, a toma de decisións intelixente, a execución hábil e o control preciso, satisfazendo así as demandas do desenvolvemento de equipos intelixentes.
2 Estado actual da investigación a nivel nacional e internacional
En 1956, o físico estadounidense Joe Engelberger e o inventor George Devol fundaron unha empresa de robótica chamada Unimation, que desenvolveu con éxito o primeiro robot industrial do mundo, o Unimate, en 1959.
General Motors empregou por primeira vez robots na produción industrial nas súas instalacións de Nova Jersey en 1961. En 1969, o Xapón introduciu robots de Unimation, e posteriormente licenciou a súa tecnoloxía a Kawasaki Heavy Industries e á británica KUKAI Corporation para operacións de fabricación de robots no Xapón e no Reino Unido, respectivamente. Co avance da industria automobilística xaponesa, un número crecente de robots substituíu a man de obra humana na produción, demostrando plenamente o seu valor práctico. En consecuencia, o Xapón puxo unha énfase crecente no desenvolvemento da robótica industrial. Comezando con Kawasaki Heavy Industries como pioneira na adopción da tecnoloxía robótica, seguida da aparición de empresas de robótica de renome mundial como FANUC e Yaskawa, o Xapón converteuse nunha das nacións que domina as tecnoloxías robóticas de vangarda a nivel mundial.
En 1973, a empresa alemá KUKA modificou o robot Unimate para crear o primeiro robot de seis graos de liberdade, o Famulus, impulsado por un motor eléctrico. En 1974, ASEA (a predecesora de ABB), unha empresa sueca de electricidade xeral, desenvolveu o primeiro robot totalmente eléctrico do mundo, o IRB 6, controlado por un microprocesador, o que mellorou significativamente a intelixencia robótica. En 1978, a empresa estadounidense Unimation despregou amplamente o seu robot industrial PUMA nas liñas de montaxe de General Motors, demostrando aínda máis a practicidade e o valor dos robots industriais e marcando a plena madurez da tecnoloxía da robótica industrial, sentando así unha base sólida para os avances tecnolóxicos posteriores.
Durante as máis de catro décadas de desenvolvemento da robótica industrial, os avances tecnolóxicos foron continuos. Non obstante, debido a consideracións de seguridade, os robots adoitan fixarse en postos de traballo específicos e illarse mediante varandas, o que lles impide traballar xunto cos humanos no mesmo espazo. Esta configuración tradicional limita a colaboración humano-robot, o que dificulta a consecución de operacións cooperativas verdadeiramente eficientes. A pesar dos numerosos intentos e exploracións, lograr unha colaboración segura entre humanos e robots segue a ser un reto importante no campo da robótica industrial.
Non foi ata o ano 2005 que un importante proxecto financiado pola UE introduciu o concepto de robots colaborativos. A iniciativa reuniu a empresas líderes en robótica industrial como ABB, KUKA, Reis, Comau e Gudel para desenvolver conxuntamente un robot accesible, compacto e flexible deseñado especificamente para pequenas e medianas empresas, co obxectivo de reducir a dependencia da externalización da man de obra. Este proxecto destacou explicitamente o potencial da colaboración humano-robot, sentando unha base sólida para o concepto de robots colaborativos.
Os primeiros robots colaborativos foron principalmente modificacións e aplicacións de robots industriais tradicionais, sen alterar fundamentalmente a súa filosofía de deseño nin os seus modos operativos. Desde a súa creación en 2005, Universal Robots dedicouse a desenvolver robots colaborativos capaces de traballar con seguridade xunto aos traballadores humanos. En 2009, a empresa lanzou o UR5, o primeiro robot colaborativo do mundo, marcando o comezo desta era. Posteriormente, Rethink presentou o Baxter de dobre brazo e o novo robot Sawyer dun só brazo, establecendo gradualmente a robótica colaborativa como unha disciplina recoñecida e aceptada dentro da robótica industrial. Este avance proporcionou novas ideas e direccións para a futura automatización industrial e o desenvolvemento intelixente.
Figura 5: Robot UR5 e robot Sawyer Baxter
A empresa Siasun Robot, afiliada ao Instituto de Automatización de Shenyang da Academia Chinesa das Ciencias, presentou por primeira vez un robot colaborativo flexible de sete eixes que representaba o nivel tecnolóxico avanzado de China na Exposición Industrial en novembro de 2015. Desde entón, numerosos modelos de robots colaborativos nacionais como Luoshi e Aobo foron gañando recoñecemento gradualmente.
En canto ás articulacións robóticas, a principal distinción entre as articulacións de robots colaborativos e as dos robots industriais de alta resistencia tradicionais reside na súa "flexibilidade". Esta flexibilidade maniféstase a través dunha menor rixidez mecánica, unha inercia reducida e a capacidade de detectar o par de torsión. Actualmente, a flexibilidade das articulacións empregada nos brazos robóticos colaborativos provén principalmente do control preciso da posición e do control do par de torsión.
Figura 6 Estrutura típica da articulación integrada en robots colaborativos
Unha visión xeral da investigación actual revela que o desenvolvemento da robótica na China comezou máis tarde que o de países como os Estados Unidos e o Xapón. A investigación sobre robots colaborativos aínda está significativamente por detrás dos produtos internacionais existentes, con obstáculos clave nos redutores de harmónicos e nos sistemas de control de accionamento de motores articulares. Os robots colaborativos nacionais teñen actualmente un amplo espazo de mellora nas capacidades de control articular, especialmente en termos de precisión de control e control intelixente. Ademais, as tendencias globais da investigación en robótica indican que a seguridade, a flexibilidade e a intelixencia son características dominantes do avance tecnolóxico. As articulacións robóticas están a evolucionar cara a sistemas de control de accionamento altamente integrados e unha maior intelixencia. Aínda que as articulacións robóticas colaborativas pasaron do control centralizado tradicional ás arquitecturas de control de accionamento distribuído, actualmente só executan accións impulsadas por motor, carecendo de capacidades de percepción autónoma, toma de decisións intelixente e execución hábil, o que resulta en niveis relativamente baixos de intelixencia. Segue a existir un potencial significativo para expandir a demanda de sistemas robóticos intelixentes.
Data de publicación: 22 de maio de 2026
