מחקר על בקרת מוטוריקה משותפת משולבת של רובוטים שיתופיים

1.1 רקע מחקרי

עם ההתקדמות המהירה של המדע והטכנולוגיה,יכולות חכמותממשיכים להשתפר, מה שהופך את הייצור החכם למגמה רווחת בפיתוח תעשייתי. לדוגמה, נתונים שפרסם משרד תעשיית המידע של סין מראים כי ייצור חכם מקומי השיג צמיחה יוצאת דופן של 11.6% בשנת 2023 - עדות למאמציה המתמשכים ולחדשנות הטכנולוגית של המדינה בתחום זה. יתר על כן, מספר החידושים בקרב מפעלי ייצור חכמים זינק משמעותית, ומשתרעים על פני מגזרים כמו ייצור ציוד מתקדם, חומרים מתקדמים וטכנולוגיות סביבתיות, דבר המשקף את חיוניותה של התעשייה ואת השינוי העמוק שלה. מגמה זו לא רק חוללה מהפכה בשיטות הייצור המסורתיות, אלא גם האיצה את השדרוג התעשייתי, תוך שיפור היעילות והאיכות. קווי ייצור אוטומטיים ורובוטים תעשייתיים מחליפים יותר ויותר את כוח האדם.

עם התקדמות ה-עידן הייצור החכם, התכונות הטכנולוגיות האוטומטיות והחכמות ביותר של רובוטים תעשייתיים תואמות באופן מושלם את הדרישות הגוברות של תעשיית הייצור לדיוק גבוה, קלות תפעולית וגמישות בתהליכי ייצור. עובדה זו הגבירה את חשיבותם בייצור, מה שהופך אותם לכוח מרכזי המניע טרנספורמציה ושדרוג תעשייתי. רובוטים שיתופיים - מכשירים תעשייתיים המסוגלים להשיג שיתוף פעולה בין מכונה למכונה ובין אדם לרובוט - צצו כמוקד מרכזי במחקר הרובוטיקה בשל התנהגותם האוטונומית ויכולותיהם השיתופיות, מה שממקם אותם למלא תפקיד דומיננטי ברובוטיקה התעשייתית העתידית. בטכנולוגיית רובוטים שיתופי, מדדי ביצועי מנועי סרוו - כולל מהירות תגובת מומנט, דיוק מומנט, דיוק מיקום, צריכת חשמל ויציבות טמפרטורה - קובעים ישירות את יעילות התנועה, היציבות והדיוק של הרובוט. כליב הכוח של הרובוטים, ביצועי מערכות הסרוו משפיעים באופן קריטי על דיוק התנועה והאמינות. ראוי לציין, שמנועי סרוו משותפים ממלאים תפקיד מרכזי בהשגת דיוק מיקום. מנוע סרוו משותף מעולה מבטיח מיקום מדויק ותנועה יציבה במהלך משימות מורכבות, ובכך משפר את היעילות התפעולית וממזער שגיאות.

"תוכנית החומש ה-14 לפיתוח תעשיית הרובוטים" מדגישה קידום מחקר על מפרקים רובוטיים משולבים חכמים, כאשר מפרקים כאלה מתאימים במיוחד לרובוטים שיתופיים. תפיסת העיצוב המשולבת שלהם משלבת מפעילים, חיישנים ודוחפים ישירות לתוך המפרק עצמו, והופכת כל מפרק ליחידת בקרה עצמאית. על ידי אופטימיזציה של המבנה והפריסה הפנימיים, ארכיטקטורת הבקרה המבוזרת מפחיתה משמעותית את מספר הכבלים בין רמות מערכת שונות, ובכך מורידה את עלויות התחזוקה ומשפרת את האמינות הכוללת. העיצוב המודולרי גם מאפשר החלפה ותחזוקה קלות יותר של מפרקים, מה שמגביר משמעותית את התחרותיות בשוק של רובוטים שיתופיים.

ההקונספט של רובוטים שיתופייםהוצג לראשונה בשנת 1996, כאשר פילוסופיית העיצוב שלה חוללה מהפכה ברובוטיקה המסורתית בכך שהיא מאפשרת פעולות מתואמות בין רובוטים לבני אדם בקווי ייצור. גישה שיתופית זו לא רק ממנפת את היעילות והדיוק של הרובוטים, אלא גם משלבת אינטליגנציה אנושית וגמישות, ומשפרת את היעילות והזרימה התפעולית. בהשוואה לרובוטים תעשייתיים קונבנציונליים, רובוטים שיתופיים מציגים מאפיינים ייחודיים, ומבססים את עצמם כתת-קטגוריה משמעותית בתחום הרובוטיקה. הן המבנים הפיזיים והן מערכות הבקרה שלהם עברו שינויים מהותיים. רובוטים תעשייתיים מסורתיים - כמו תצורות הזרוע הרובוטית המתוארות באיור 1 - משמשים בעיקר ביישומי משטחים, טיפול בחומרים, ריתוך וחיתוך לייזר. בעוד שרובוטים אלה כוללים קשיחות גבוהה, יציבות מבנית ויכולת נשיאת עומס חזקה, הם מציגים גם מגבלות: גודל ומסה גדולים יחסית, אינרציה תנועה משמעותית, עיצובים מגושמים עם גמישות נמוכה וחוסר יכולת לבצע משימות הרכבה זריזות ביותר. בנוסף, המומנטום האינרציאלי המשמעותי שלהם ותנועותיהם המהירות הגבוהה מהווים סיכוני בטיחות ניכרים לעובדים ברדיוס הפעילות שלהם, מה שמחייב פעולה בתוך אזורים סגורים סגורים.

איור 1 זרועות רובוטיות תעשייתיות מסורתיות ורובוטים שיתופיים

רובוטים שיתופיים מאפשרים פעולה בו-זמנית עם בני אדם במרחבים משותפים ומקלים על אינטראקציה בטווח קרוב בתוך אזורי שיתוף פעולה. בהשוואה לזרועות רובוטיות מסורתיות, רובוטים שיתופיים נושאים בדרך כלל עומס מרבי של 20 ק"ג בקצה האפקט שלהם, עם טווח פעולה דומה לזה של הגעה של זרוע אנושית. המבנה שלהם פשוט יותר מזה של זרועות רובוטיות תעשייתיות קונבנציונליות, הכוללות מנגנוני תמסורת מורכבים, תוך מתן משוב כוח רגיש, גמישות קלת משקל ויכולות תפיסה חזקות. תכונות אלה מאפשרות להם להתאים באופן דינמי את הכוח במהלך אינטראקציות אנושיות, ובכך למנוע ביעילות נזק אלים. כתוצאה מכך, רובוטים שיתופיים יכולים לשתף פעולה בבטחה עם בני אדם כדי להשלים משימות מבלי להזדקק למחסומי בטיחות מסורתיים.

רובוטים שיתופיים עוסקים בפעולות מגע ישיר בין אדם לרובוט; לכן, בטיחות היא דרישה הכרחית בשיתוף פעולה בין אדם לרובוט. חיוני לשלוט בקפדנות בכוח התפעולי ובמומנט הסיבובי תוך שימוש באמצעים טכניים כגון בקרת זרם, בקרת מומנט, חיישני מגע וזיהוי התנגשויות כדי למנוע פציעות של אנשים. מערכות בקרת ההינע החכמות של רובוטים דורשות גם אופטימיזציה נוספת לניהול בטיחות, המאפשרת בקרה חלקה ואדפטיבית באמצעות חישובים דינמיים ומידול מבוסס-צופה.

במחקר שנערך לאחרונה, הפדרציה הבינלאומית לרובוטיקה (IFR) הדגישה כי פיתוח רובוטים עתידי יפגין בעיקר מגמות של פשטות, קלות שימוש, גמישות ושיתוף פעולה בטוח. רובוטים תעשייתיים ישיגו בהדרגה רמות גבוהות יותר של אוטומציה ואינטליגנציה; העיצוב הידידותי למשתמש שלהם יוריד את המחסומים התפעוליים, ויאפשר ליותר ארגונים למנף בקלות את טכנולוגיית הרובוטיקה כדי לשפר את יעילות הייצור. בינתיים, עיצובים הכוללים גמישות ויכולות שיתוף פעולה בטוח יאפשרו לרובוטים להסתגל טוב יותר לסביבות ייצור מגוונות ומורכבות, להקל על שיתוף פעולה בין אדם לרובוט ולקדם עוד יותר את הפיתוח החכם והיעיל של הייצור התעשייתי.

איור 2: אזור העבודה של הרובוט השיתופי

1.2 חשיבות המחקר

בשוק הרובוטיקה השיתופית הנוכחי, רובוטים בעלי שבע דרגות חופש מועדפים בזכות טווח הפעולה הנרחב והגמישות שלהם. רובוטים אלה מספקים דרגות חופש מיותרות, המציעות פוטנציאל גדול יותר לאוטומציה תעשייתית וייצור חכם. כל דרגת חופש מושגת באמצעות מפרק רובוטי, המשמש כגורם קריטי בקביעת ביצועי הרובוטיקה. ארבעת היצרנים העיקריים - FANUC, ABB, Yaskawa ו-KUKA - כל אחד מהם משתמש במערכות תמסורת שונות בזרועות הרובוטיות התעשייתיות המסורתיות שלו; עם זאת, הם משתמשים בעיקר במנועי סרוו המשולבים עם גלגלי שיניים משופעים, גלגלי שיניים או רצועות סינכרוניות כדי להעביר כוח למפרקים לצורך סיבוב. שיטות תמסורת אלו מגבילות את גודל המפרקים הרובוטיים. בעוד שהשגת דיוק גבוה אפשרית, מזעור נותר מאתגר. כפי שמוצג באיור 3, רובוטים תעשייתיים מסורתיים דורשים ארונות בקרה חיצוניים המכילים מנועי סרוו, עם חוטים רבים המחברים כל מנוע לארון, ובכך מגבילים את הפריסה הגמישה של מערכות בקרה.

איור 3 רובוט תעשייתי מסורתי וארון בקרה

בהינתן שתצורות המפרקים המסורתיות של זרועות רובוטיות תעשייתיות אינן יכולות עוד לעמוד בדרישות של רובוטים שיתופיים, מפרקים אלה נטשו מנגנוני תמסורת קונבנציונליים לטובת פילוסופיית תכנון חדשנית. גישה זו מתמקדת בהשגת מערכות קלות משקל, בעלות מתח נמוך ומשולבות מאוד על ידי שילוב הבקר, מנהל הסרוו והמנוע בתוך המפרק עצמו, כאשר חיבורים חשמליים בסיסיים מיושמים גם הם באופן פנימי. רק מספר מינימלי של ממשקי בקרה חשופים חיצונית, מה שמפשט את החיווט החיצוני ומפחית את המורכבות ההנדסית. תכנון כזה מכונה מפרק משולב.

בהתחשב בצורכי הפיתוח והמגמות הנוכחיים במפרקי רובוטים שיתופיים, תכנון מפרק רובוטים שיתופיים משולב קל משקל, בעל מתח נמוך, משולב מאוד ובעל ביצועים גבוהים הוא קריטי במיוחד. מפרק משולב כזה משלב את כל הרכיבים החיוניים הנדרשים לתנועת המפרקים - כולל מפעילים, בקרים, דרייברים וחיישנים - ויכול לתפקד באופן עצמאי כמודול עצמאי. כאשר הוא מחובר לבקר הראשי או למודולים אחרים באמצעות אפיקי חשמל ובקרה פשוטים, עיצוב זה, בעל קוהרנטיות גבוהה אך בעל צימוד נמוך, משפר משמעותית את יכולת ההרחבה של רובוטים שיתופיים. על ידי שימוש במפרק מודולרי משולב זה וצימודו לזרועות רובוטיות בגודל מתאים ואפקטורים קצה, ניתן להרכיב בקלות רובוטים שיתופיים המותאמים לדרישות שונות.

איור 4 תרשים סכמטי של המפרק המודולרי

למחקר על מפרקים משולבים עבור רובוטים שיתופיים ומערכות בקרת הסרוו שלהם יש חשיבות משמעותית לקידום הרובוטיקה השיתופית. טכנולוגיות הליבה של מפרקים משולבים אלה מורכבות משני רכיבים עיקריים: מפחיתים הרמוניים ומערכות בקרת הנעת מנוע במפרקים יחד עם אלגוריתמי הבקרה המתאימים להם. חברת Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd ממקדת את מחקרה במערכות בקרת הנעת מנוע במפרקים עבור רובוטים שיתופיים, ומבצעת מחקרים מעמיקים על מנגנוני הנעה ובקרה של מנועים במפרקים. החברה מפתחת סדרה של מוצרי מנוע משולבים אינטליגנטיים ביותר המאפשרים יכולות בקרה גמישות ואמינות יותר עבור מפרקי רובוטים שיתופיים, תוך שילוב תכונות קריטיות כגון תפיסה עצמית, קבלת החלטות חכמה, ביצוע מיומן ובקרה מדויקת - ובכך עומדת בדרישות פיתוח ציוד חכם.

2 סטטוס המחקר הנוכחי בארץ ובחו"ל

בשנת 1956, הפיזיקאי האמריקאי ג'ו אנגלברגר והממציא ג'ורג' דבול ייסדו חברת רובוטיקה בשם יונימיישן, שפיתחה בהצלחה את הרובוט התעשייתי הראשון בעולם - ה-Unimate - בשנת 1959.

ג'נרל מוטורס הציבה לראשונה רובוטים בייצור תעשייתי במפעל שלה בניו ג'רזי בשנת 1961. בשנת 1969, יפן הציגה רובוטים מתוצרת Unimation, ומאוחר יותר העבירה רישיון לטכנולוגיה שלה ל-Kawasaki Heavy Industries ול-KUKAI Corporation הבריטית עבור פעולות ייצור רובוטים ביפן ובבריטניה, בהתאמה. עם התקדמות תעשיית הרכב היפנית, מספר הולך וגדל של רובוטים החליף את כוח האדם בייצור, והדגימו באופן מלא את ערכם המעשי. כתוצאה מכך, יפן שמה דגש גובר על פיתוח רובוטיקה תעשייתית. החל מ-Kawasaki Heavy Industries כחלוצה באימוץ טכנולוגיית רובוטיקה, ולאחר מכן הופעתן של חברות רובוטיקה בעלות שם עולמי כמו FANUC ו-Yaskawa, יפן הפכה לאחת המדינות השולטות בטכנולוגיות רובוטיות מתקדמות ברחבי העולם.

בשנת 1973, חברת KUKA הגרמנית שינתה את הרובוט Unimate כדי ליצור את הרובוט הראשון בעל שש דרגות חופש, ה-Famulus, המופעל על ידי מנוע חשמלי. בשנת 1974, ASEA (קודמתה של ABB), חברת חשמל כללית שבדית, פיתחה את הרובוט החשמלי המלא הראשון בעולם, ה-IRB 6, הנשלט על ידי מיקרו-מעבד, מה ששיפור משמעותי של האינטליגנציה הרובוטית. בשנת 1978, חברת Unimation האמריקאית פרשה באופן נרחב את הרובוט התעשייתי PUMA שלה בקווי ההרכבה של ג'נרל מוטורס, והדגימה עוד יותר את המעשיות והערך של רובוטים תעשייתיים וסימנה את הבשלות המלאה של טכנולוגיית הרובוטיקה התעשייתית, ובכך הניחה בסיס איתן להתקדמות טכנולוגית עתידית.

במשך יותר מארבעה עשורים של פיתוח רובוטיקה תעשייתית, ההתקדמות הטכנולוגית הייתה מתמשכת. עם זאת, משיקולי בטיחות, רובוטים מקובעים בדרך כלל בתחנות עבודה ספציפיות ומבודדים באמצעות מעקות בטיחות, מה שמונע מהם לעבוד זה לצד זה עם בני אדם באותו חלל. תצורה מסורתית זו מגבילה את שיתוף הפעולה בין אדם לרובוט, ומקשה על השגת פעולות שיתופיות יעילות באמת. למרות ניסיונות ומחקרים רבים, השגת שיתוף פעולה בטוח בין אדם לרובוט נותרה אתגר מרכזי בתחום הרובוטיקה התעשייתית.

רק בשנת 2005 הציג פרויקט גדול במימון האיחוד האירופי את מושג הרובוטים השיתופיים. היוזמה איחדה חברות רובוטיקה תעשייתיות מובילות כמו ABB, KUKA, Reis, Comau ו-Gudel כדי לפתח במשותף רובוט במחיר סביר, קומפקטי וגמיש שתוכנן במיוחד עבור עסקים קטנים ובינוניים, במטרה להפחית את התלות במיקור חוץ של כוח אדם. פרויקט זה הדגיש במפורש את הפוטנציאל של שיתוף פעולה בין אדם לרובוט, והניח בסיס איתן לקונספט הרובוטים השיתופיים.

רובוטים שיתופיים מוקדמים היו בעיקר שינויים ויישומים של רובוטים תעשייתיים מסורתיים, מבלי לשנות באופן מהותי את פילוסופיית העיצוב או את אופני הפעולה שלהם. מאז הקמתה בשנת 2005, Universal Robots מקדישה את עצמה לפיתוח רובוטים שיתופיים המסוגלים לעבוד בבטחה לצד עובדים אנושיים. בשנת 2009 השיקה החברה את ה-UR5 - הרובוט השיתופי הראשון בעולם - שסימן את שחר עידן זה. לאחר מכן, Rethink הציגה את Baxter בעל הזרוע הכפולה ואת הרובוט Sawyer החדש בעל הזרוע היחידה, ובכך ביססה בהדרגה את הרובוטיקה השיתופית כדיסציפלינה מוכרת ומקובלת בתוך הרובוטיקה התעשייתית. התקדמות זו סיפקה תובנות וכיוונים חדשים לאוטומציה תעשייתית עתידית ופיתוח חכם.

איור 5: רובוט UR5 ורובוט Sawyer Baxter

חברת הרובוטים סיאסון, המסונפת למכון שניאנג לאוטומציה של האקדמיה הסינית למדעים, הציגה לראשונה רובוט שיתופי גמיש בעל שבעה צירים המייצג את הרמה הטכנולוגית המתקדמת של סין בתערוכת התעשייה בנובמבר 2015. מאז, דגמים רבים של רובוטים שיתופיים מקומיים כמו Luoshi ו-Aobo זכו בהדרגה להכרה.

בנוגע למפרקים רובוטיים, ההבדל העיקרי בין מפרקי רובוטים שיתופיים לבין אלו של רובוטים תעשייתיים מסורתיים כבדים טמון ב"גמישות" שלהם. גמישות זו באה לידי ביטוי בקשיחות מכנית נמוכה יותר, אינרציה מופחתת ויכולת לחוש מומנט. כיום, גמישות המפרקים המופעלת בזרועות רובוטיות שיתופיות נובעת בעיקר מבקרת מיקום מדויקת ובקרת מומנט.

איור 6 מבנה טיפוסי של המפרק המשולב ברובוטים שיתופיים

סקירה כללית של מחקרים עדכניים מגלה כי פיתוח הרובוטיקה של סין החל מאוחר יותר מזה של מדינות כמו ארצות הברית ויפן. המחקר על רובוטים שיתופיים עדיין מפגר משמעותית אחרי מוצרים בינלאומיים קיימים, כאשר צווארי בקבוק מרכזיים טמונים במפחיתים הרמוניים ובמערכות בקרת הנעה מנוע משותפות. לרובוטים שיתופיים מקומיים יש כיום מקום משמעותי לשיפור ביכולות הבקרה המשותפת, במיוחד מבחינת דיוק הבקרה ובקרה חכמה. יתר על כן, מגמות מחקר רובוטי עולמיות מצביעות על כך שבטיחות, גמישות ואינטליגנציה הן מאפיינים דומיננטיים של התקדמות טכנולוגית. מפרקי רובוטים מתפתחים לעבר מערכות בקרת הנעה משולבות מאוד ואינטליגנציה רבה יותר. למרות שמפרקי רובוטים שיתופיים עברו מבקרה מרכזית מסורתית לארכיטקטורות בקרת הנעה מבוזרות, הם כיום מבצעים רק פעולות מונעות מנוע, וחסרות יכולות בתפיסה אוטונומית, קבלת החלטות חכמה וביצוע מיומן - וכתוצאה מכך רמות אינטליגנציה נמוכות יחסית. נותר פוטנציאל משמעותי להרחבת הביקוש למערכות רובוטיקה חכמות.