1.1 Premesse della ricerca
Con il rapido progresso della scienza e della tecnologia,capacità intelligentiIl settore continua a migliorare, rendendo la produzione intelligente una tendenza prevalente nello sviluppo industriale. Ad esempio, i dati pubblicati dal Ministero dell'Industria dell'Informazione cinese mostrano che la produzione intelligente a livello nazionale ha registrato una crescita notevole dell'11,6% nel 2023, a testimonianza degli sforzi costanti e dell'innovazione tecnologica del Paese in questo campo. Inoltre, il numero di innovazioni tra le imprese di produzione intelligente è aumentato significativamente, abbracciando settori come la produzione di apparecchiature di fascia alta, i materiali avanzati e le tecnologie ambientali, riflettendo la vitalità e la profonda trasformazione del settore. Questa tendenza non solo ha rivoluzionato i metodi di produzione manifatturiera tradizionali, ma ha anche accelerato l'ammodernamento industriale, migliorando sia l'efficienza che la qualità. Le linee di produzione automatizzate e i robot industriali stanno progressivamente sostituendo il lavoro umano.
Con l'avanzamento delera della produzione intelligenteLe caratteristiche tecnologiche altamente automatizzate e intelligenti dei robot industriali si allineano perfettamente con le crescenti esigenze del settore manifatturiero in termini di alta precisione, facilità d'uso e flessibilità nei processi produttivi. Ciò ha accresciuto la loro importanza nel settore manifatturiero, rendendoli una forza trainante per la trasformazione e l'ammodernamento industriale. I robot collaborativi, dispositivi industriali in grado di realizzare sia la collaborazione macchina-macchina che la collaborazione uomo-robot, sono emersi come un punto focale della ricerca robotica grazie al loro comportamento autonomo e alle capacità collaborative, che li pongono in una posizione privilegiata per svolgere un ruolo dominante nella robotica industriale del futuro. Nella tecnologia dei robot collaborativi, i parametri prestazionali dei servomotori, tra cui la velocità di risposta della coppia, la precisione della coppia, la precisione di posizionamento, il consumo energetico e la stabilità termica, determinano direttamente l'efficienza, la stabilità e la precisione del movimento di un robot. Essendo il cuore pulsante dei robot, le prestazioni dei servomotori hanno un impatto critico sulla precisione e sull'affidabilità del movimento. In particolare, i servomotori delle articolazioni svolgono un ruolo fondamentale nel raggiungimento della precisione di posizionamento. Un servomotore di articolazione di eccellente qualità garantisce un posizionamento preciso e un movimento stabile durante compiti complessi, migliorando così l'efficienza operativa e riducendo al minimo gli errori.
Il "14° Piano quinquennale per lo sviluppo dell'industria robotica" pone l'accento sul progresso della ricerca sui giunti robotici intelligenti integrati, particolarmente adatti ai robot collaborativi. Il loro concetto di progettazione altamente integrato incorpora attuatori, sensori e driver direttamente nel giunto stesso, trasformando ciascun giunto in un'unità di controllo autonoma. Ottimizzando la struttura e la disposizione interne, l'architettura di controllo distribuita riduce significativamente il numero di cavi tra i diversi livelli del sistema, diminuendo così i costi di manutenzione e migliorando l'affidabilità complessiva. Il design modulare facilita inoltre la sostituzione e la manutenzione dei giunti, aumentando notevolmente la competitività sul mercato dei robot collaborativi.
ILconcetto di robot collaborativiIntrodotta per la prima volta nel 1996, la sua filosofia progettuale ha rivoluzionato la robotica tradizionale, consentendo operazioni coordinate tra robot e umani sulle linee di produzione. Questo approccio collaborativo non solo sfrutta l'efficienza e la precisione dei robot, ma integra anche l'intelligenza e la flessibilità umana, migliorando l'efficienza e la fluidità operativa. Rispetto ai robot industriali convenzionali, i robot collaborativi presentano caratteristiche distinte, affermandosi come una sottocategoria significativa nel campo della robotica. Sia le loro strutture fisiche che i sistemi di controllo hanno subito modifiche sostanziali. I robot industriali tradizionali, come le configurazioni di bracci robotici illustrate nella Figura 1, sono utilizzati principalmente in applicazioni di pallettizzazione, movimentazione materiali, saldatura e taglio laser. Sebbene questi robot presentino elevata rigidità, stabilità strutturale e forte capacità di carico, presentano anche delle limitazioni: dimensioni e massa relativamente grandi, notevole inerzia di movimento, design ingombranti con scarsa flessibilità e incapacità di eseguire compiti di assemblaggio altamente agili. Inoltre, il loro notevole momento inerziale e i movimenti ad alta velocità comportano considerevoli rischi per la sicurezza del personale nel loro raggio operativo, rendendo necessario il loro funzionamento all'interno di aree chiuse.
Figura 1 Bracci robotici industriali tradizionali e robot collaborativi
I robot collaborativi consentono il funzionamento simultaneo con gli esseri umani in spazi condivisi e facilitano l'interazione a corto raggio all'interno di zone collaborative. Rispetto ai bracci robotici tradizionali, i robot collaborativi in genere supportano un carico massimo di 20 kg all'estremità del braccio, con un raggio d'azione paragonabile a quello di un braccio umano. La loro struttura è più semplice rispetto a quella dei bracci robotici industriali convenzionali, caratterizzati da complessi meccanismi di trasmissione, e offre al contempo un feedback di forza preciso, leggerezza, flessibilità e robuste capacità di percezione. Queste caratteristiche consentono loro di regolare dinamicamente la forza durante le interazioni umane, prevenendo efficacemente danni. Di conseguenza, i robot collaborativi possono collaborare in sicurezza con gli esseri umani per completare le attività senza la necessità di barriere di sicurezza tradizionali.
I robot collaborativi sono coinvolti in operazioni a diretto contatto con l'uomo; pertanto, la sicurezza è un requisito imprescindibile nella collaborazione uomo-robot. È essenziale controllare rigorosamente la potenza operativa e la coppia di rotazione, impiegando al contempo misure tecniche quali il controllo della corrente, il controllo della coppia, i sensori di contatto e il rilevamento delle collisioni per prevenire lesioni al personale. Anche i sistemi di controllo intelligenti della trazione dei robot richiedono un'ulteriore ottimizzazione per la gestione della sicurezza, consentendo un controllo fluido e adattivo attraverso calcoli dinamici e modellazione basata su osservatori.
In un recente studio, la Federazione Internazionale di Robotica (IFR) ha evidenziato che lo sviluppo futuro dei robot mostrerà principalmente tendenze verso la semplicità, la facilità d'uso, la flessibilità e la collaborazione sicura. I robot industriali raggiungeranno progressivamente livelli più elevati di automazione e intelligenza; il loro design intuitivo ridurrà le barriere operative, consentendo a un numero maggiore di aziende di sfruttare senza sforzo la tecnologia robotica per migliorare l'efficienza produttiva. Allo stesso tempo, i design caratterizzati da flessibilità e capacità di collaborazione sicura permetteranno ai robot di adattarsi meglio ad ambienti di produzione diversi e complessi, facilitando la collaborazione uomo-robot e promuovendo ulteriormente lo sviluppo intelligente ed efficiente della produzione industriale.
Figura 2: Area di lavoro del robot collaborativo
1.2 Significato della ricerca
Nell'attuale mercato della robotica collaborativa, i robot a sette gradi di libertà sono preferiti per la loro ampia gamma operativa e flessibilità. Questi robot offrono gradi di libertà ridondanti, garantendo un maggiore potenziale per l'automazione industriale e la produzione intelligente. Ogni grado di libertà è ottenuto tramite un giunto robotico, che rappresenta un fattore critico nel determinare le prestazioni del robot. I quattro principali produttori – FANUC, ABB, Yaskawa e KUKA – utilizzano ciascuno un sistema di trasmissione distinto nei loro bracci robotici industriali tradizionali; tuttavia, essenzialmente si avvalgono di servomotori accoppiati a ingranaggi conici, ingranaggi cilindrici o cinghie sincrone per trasmettere la potenza ai giunti per la rotazione. Questi metodi di trasmissione limitano le dimensioni dei giunti robotici. Sebbene sia possibile raggiungere un'elevata precisione, la miniaturizzazione rimane una sfida. Come mostrato nella Figura 3, i robot industriali tradizionali richiedono armadi di controllo esterni che ospitano i servomotori, con numerosi cavi che collegano ciascun motore all'armadio, limitando così la flessibilità di implementazione dei sistemi di controllo.
Figura 3 Robot industriale tradizionale e quadro di controllo
Dato che le configurazioni tradizionali delle giunzioni dei bracci robotici industriali non sono più in grado di soddisfare i requisiti dei robot collaborativi, queste giunzioni hanno abbandonato i meccanismi di trasmissione convenzionali a favore di una nuova filosofia progettuale. Questo approccio si concentra sulla realizzazione di sistemi leggeri, a bassa tensione e altamente integrati, integrando il controllore, il servoazionamento e il motore all'interno della giunzione stessa, con i relativi collegamenti elettrici implementati internamente. Solo un numero minimo di interfacce di controllo è esposto esternamente, semplificando il cablaggio esterno e riducendo la complessità ingegneristica. Tale progettazione è definita giunzione integrata.
Considerate le attuali esigenze e tendenze di sviluppo nel campo delle giunzioni per robot collaborativi, la progettazione di una giunzione integrata leggera, a bassa tensione, altamente integrata e ad alte prestazioni è di fondamentale importanza. Tale giunzione integrata incorpora tutti i componenti essenziali necessari per il movimento, inclusi attuatori, controllori, driver e sensori, e può funzionare in modo indipendente come modulo autonomo. Se collegata al controllore principale o ad altri moduli tramite semplici bus di alimentazione e controllo, questa progettazione altamente coesa ma a basso accoppiamento migliora significativamente la scalabilità dei robot collaborativi. Utilizzando questa giunzione modulare integrata e abbinandola a bracci robotici ed effettori terminali di dimensioni adeguate, è possibile assemblare facilmente robot collaborativi personalizzati per diverse esigenze.
Figura 4 Schema del giunto modulare
La ricerca sui giunti integrati per robot collaborativi e sui relativi sistemi di servocontrollo riveste un'importanza fondamentale per il progresso della robotica collaborativa. Le tecnologie di base di questi giunti integrati si fondano su due componenti chiave: i riduttori armonici e i sistemi di azionamento e controllo dei motori dei giunti, insieme ai corrispondenti algoritmi di controllo. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. concentra la propria ricerca sui sistemi di azionamento e controllo dei motori dei giunti per robot collaborativi, conducendo studi approfonditi sui meccanismi di azionamento e controllo dei motori. L'azienda sta sviluppando una serie di prodotti per motori di giunti robotici integrati altamente intelligenti che consentono capacità di controllo più flessibili e affidabili per i giunti dei robot collaborativi, incorporando al contempo caratteristiche critiche come l'autopercezione, il processo decisionale intelligente, l'esecuzione abile e il controllo preciso, soddisfacendo così le esigenze dello sviluppo di apparecchiature intelligenti.
2 Stato attuale della ricerca a livello nazionale e internazionale
Nel 1956, il fisico americano Joe Engelberger e l'inventore George Devol fondarono un'azienda di robotica chiamata Unimation, che nel 1959 sviluppò con successo il primo robot industriale al mondo: l'Unimate.
Nel 1961, la General Motors introdusse per la prima volta i robot nella produzione industriale presso il suo stabilimento del New Jersey. Nel 1969, il Giappone presentò i robot della Unimation, concedendo successivamente in licenza la sua tecnologia alla Kawasaki Heavy Industries e alla britannica KUKAI Corporation per la produzione di robot rispettivamente in Giappone e nel Regno Unito. Con l'avanzamento dell'industria automobilistica giapponese, un numero crescente di robot ha sostituito il lavoro umano nella produzione, dimostrando appieno il loro valore pratico. Di conseguenza, il Giappone ha posto sempre maggiore enfasi sullo sviluppo della robotica industriale. A partire dalla Kawasaki Heavy Industries, pioniera nell'adozione della tecnologia robotica, e successivamente con l'emergere di aziende di robotica di fama mondiale come FANUC e Yaskawa, il Giappone è diventato una delle nazioni leader a livello globale nelle tecnologie robotiche all'avanguardia.
Nel 1973, l'azienda tedesca KUKA modificò il robot Unimate per creare il primo robot a sei gradi di libertà, il Famulus, alimentato da un motore elettrico. Nel 1974, ASEA (predecessore di ABB), un'azienda elettrica svedese, sviluppò il primo robot completamente elettrico al mondo, l'IRB 6, controllato da un microprocessore, migliorando significativamente l'intelligenza robotica. Nel 1978, l'azienda statunitense Unimation implementò ampiamente il suo robot industriale PUMA sulle linee di assemblaggio della General Motors, dimostrando ulteriormente la praticità e il valore dei robot industriali e segnando la piena maturità della tecnologia della robotica industriale, ponendo così solide basi per i successivi progressi tecnologici.
Nel corso di oltre quarant'anni di sviluppo della robotica industriale, i progressi tecnologici sono stati continui. Tuttavia, per motivi di sicurezza, i robot sono generalmente fissati a postazioni di lavoro specifiche e isolati da barriere, impedendo loro di lavorare fianco a fianco con gli esseri umani nello stesso spazio. Questa configurazione tradizionale limita la collaborazione uomo-robot, rendendo difficile il raggiungimento di operazioni cooperative realmente efficienti. Nonostante i numerosi tentativi ed esplorazioni, il raggiungimento di una collaborazione uomo-robot sicura rimane una sfida importante nel campo della robotica industriale.
Solo nel 2005 un importante progetto finanziato dall'UE ha introdotto il concetto di robot collaborativi. L'iniziativa ha riunito aziende leader nel settore della robotica industriale come ABB, KUKA, Reis, Comau e Gudel per sviluppare congiuntamente un robot economico, compatto e flessibile, progettato specificamente per le piccole e medie imprese, con l'obiettivo di ridurre la dipendenza dall'esternalizzazione della manodopera. Questo progetto ha evidenziato in modo esplicito il potenziale della collaborazione uomo-robot, ponendo solide basi per il concetto di robot collaborativi.
I primi robot collaborativi erano principalmente modifiche e applicazioni di robot industriali tradizionali, senza alterarne sostanzialmente la filosofia di progettazione o le modalità operative. Fin dalla sua fondazione nel 2005, Universal Robots si è dedicata allo sviluppo di robot collaborativi in grado di lavorare in sicurezza a fianco degli operatori umani. Nel 2009, l'azienda ha lanciato l'UR5, il primo robot collaborativo al mondo, segnando l'inizio di questa era. Successivamente, Rethink ha introdotto il robot a doppio braccio Baxter e il nuovo robot a braccio singolo Sawyer, affermando gradualmente la robotica collaborativa come disciplina riconosciuta e accettata all'interno della robotica industriale. Questo progresso ha fornito nuove prospettive e direzioni per l'automazione industriale e lo sviluppo intelligente del futuro.
Figura 5: Robot UR5 e robot Sawyer Baxter
La Siasun Robot Company, affiliata all'Istituto di Automazione di Shenyang dell'Accademia Cinese delle Scienze, ha presentato per la prima volta un robot collaborativo flessibile a sette assi, simbolo dell'avanzato livello tecnologico cinese, all'Industrial Expo del novembre 2015. Da allora, numerosi modelli di robot collaborativi nazionali, come Luoshi e Aobo, hanno gradualmente guadagnato riconoscimento.
Per quanto riguarda le articolazioni robotiche, la principale differenza tra le articolazioni dei robot collaborativi e quelle dei robot industriali tradizionali per carichi pesanti risiede nella loro "flessibilità". Questa flessibilità si manifesta attraverso una minore rigidità meccanica, una ridotta inerzia e la capacità di rilevare la coppia. Attualmente, la flessibilità delle articolazioni impiegata nei bracci robotici collaborativi deriva principalmente dal controllo preciso della posizione e della coppia.
Figura 6 Struttura tipica del giunto integrato nei robot collaborativi
Una panoramica delle ricerche attuali rivela che lo sviluppo della robotica in Cina è iniziato più tardi rispetto a quello di paesi come gli Stati Uniti e il Giappone. La ricerca sui robot collaborativi è ancora significativamente indietro rispetto ai prodotti internazionali esistenti, con i principali colli di bottiglia che risiedono nei riduttori armonici e nei sistemi di controllo dell'azionamento dei motori delle articolazioni. I robot collaborativi nazionali presentano attualmente ampi margini di miglioramento nelle capacità di controllo delle articolazioni, in particolare in termini di precisione e controllo intelligente. Inoltre, le tendenze globali della ricerca robotica indicano che sicurezza, flessibilità e intelligenza sono le caratteristiche dominanti del progresso tecnologico. Le articolazioni dei robot si stanno evolvendo verso sistemi di controllo e azionamento altamente integrati e una maggiore intelligenza. Sebbene le articolazioni dei robot collaborativi siano passate dal tradizionale controllo centralizzato ad architetture di controllo e azionamento distribuite, attualmente eseguono solo azioni azionate da motori, mancando di capacità di percezione autonoma, processo decisionale intelligente ed esecuzione precisa, con conseguenti livelli di intelligenza relativamente bassi. Rimane un significativo potenziale per l'espansione della domanda di sistemi robotici intelligenti.
Data di pubblicazione: 22 maggio 2026
