بحث حول التحكم الحركي المشترك المتكامل للروبوتات التعاونية

1.1 خلفية البحث

مع التقدم السريع للعلوم والتكنولوجيا،القدرات الذكيةمع استمرار التحسن، بات التصنيع الذكي اتجاهًا سائدًا في التنمية الصناعية. فعلى سبيل المثال، تُظهر البيانات الصادرة عن وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات الصينية أن التصنيع الذكي المحلي حقق نموًا ملحوظًا بنسبة 11.6% في عام 2023، ما يُعدّ دليلًا على الجهود المتواصلة التي تبذلها الدولة والابتكار التكنولوجي في هذا المجال. علاوة على ذلك، ارتفع عدد الابتكارات بين شركات التصنيع الذكي بشكل كبير، ليشمل قطاعات مثل تصنيع المعدات المتطورة، والمواد المتقدمة، والتقنيات البيئية، ما يعكس حيوية الصناعة وتحولها العميق. لم يُحدث هذا الاتجاه ثورة في أساليب الإنتاج التقليدية فحسب، بل سرّع أيضًا من وتيرة التحديث الصناعي، مُحسّنًا الكفاءة والجودة على حد سواء. وتحلّ خطوط الإنتاج الآلية والروبوتات الصناعية تدريجيًا محلّ العمالة البشرية.

مع تقدمعصر التصنيع الذكيتتوافق الميزات التكنولوجية الذكية والمؤتمتة للغاية للروبوتات الصناعية تمامًا مع متطلبات قطاع التصنيع المتزايدة للدقة العالية وسهولة التشغيل والمرونة في عمليات الإنتاج. وقد عزز هذا من أهميتها في التصنيع، جاعلاً منها قوة محورية تدفع التحول الصناعي والتطوير. برزت الروبوتات التعاونية - وهي أجهزة صناعية قادرة على تحقيق التعاون بين الآلات وبين الإنسان والروبوت - كمحور رئيسي في أبحاث الروبوتات نظرًا لسلوكها المستقل وقدراتها التعاونية، مما يؤهلها للعب دور مهيمن في مستقبل الروبوتات الصناعية. في تكنولوجيا الروبوتات التعاونية، تحدد مقاييس أداء محركات المؤازرة - بما في ذلك سرعة استجابة عزم الدوران، ودقة عزم الدوران، ودقة تحديد المواقع، واستهلاك الطاقة، واستقرار درجة الحرارة - كفاءة حركة الروبوت واستقراره ودقته بشكل مباشر. وباعتبارها النواة الأساسية للطاقة في الروبوتات، يؤثر أداء أنظمة المؤازرة بشكل حاسم على دقة الحركة وموثوقيتها. والجدير بالذكر أن محركات المؤازرة للمفاصل تلعب دورًا محوريًا في تحقيق دقة تحديد المواقع. يضمن محرك سيرفو مفصلي ممتاز تحديد المواقع بدقة وحركة مستقرة أثناء المهام المعقدة، مما يعزز الكفاءة التشغيلية ويقلل الأخطاء.

تُركز "الخطة الخمسية الرابعة عشرة لتطوير صناعة الروبوتات" على تطوير الأبحاث المتعلقة بالمفاصل الروبوتية المتكاملة الذكية، والتي تُعد مناسبة بشكل خاص للروبوتات التعاونية. يدمج مفهوم تصميمها المتكامل للغاية المحركات والمستشعرات ووحدات التحكم الأساسية مباشرةً في المفصل نفسه، مما يحول كل مفصل إلى وحدة تحكم مستقلة. ومن خلال تحسين البنية الداخلية والتصميم، تُقلل بنية التحكم الموزعة بشكل كبير من عدد الكابلات بين مستويات النظام المختلفة، وبالتالي تخفض تكاليف الصيانة وتعزز الموثوقية العامة. كما يُسهل التصميم المعياري استبدال المفاصل وصيانتها، مما يُعزز بشكل كبير القدرة التنافسية للروبوتات التعاونية في السوق.

المفهوم الروبوتات التعاونيةطُرحت هذه التقنية لأول مرة عام ١٩٩٦، حيث أحدثت فلسفة تصميمها ثورة في مجال الروبوتات التقليدية من خلال تمكين العمليات المنسقة بين الروبوتات والبشر على خطوط الإنتاج. لا يقتصر هذا النهج التعاوني على الاستفادة من كفاءة الروبوتات ودقتها فحسب، بل يدمج أيضًا الذكاء البشري ومرونته، مما يعزز كفاءة العمليات وانسيابيتها. بالمقارنة مع الروبوتات الصناعية التقليدية، تتميز الروبوتات التعاونية بخصائص فريدة، مما جعلها فئة فرعية مهمة في مجال الروبوتات. وقد خضعت هياكلها المادية وأنظمة التحكم الخاصة بها لتعديلات جوهرية. تُستخدم الروبوتات الصناعية التقليدية - مثل تكوينات الذراع الروبوتية الموضحة في الشكل ١ - بشكل أساسي في عمليات التعبئة على المنصات، ومناولة المواد، واللحام، والقطع بالليزر. على الرغم من أن هذه الروبوتات تتميز بصلابة عالية، واستقرار هيكلي، وقدرة تحمل عالية للأحمال، إلا أنها تعاني من بعض القيود: حجمها وكتلتها الكبيران نسبيًا، وقصورها الذاتي الكبير، وتصاميمها الضخمة ذات المرونة المحدودة، وعدم قدرتها على أداء مهام التجميع عالية السرعة. بالإضافة إلى ذلك، فإن زخمها الذاتي الكبير وحركاتها عالية السرعة تشكل مخاطر كبيرة على سلامة الأفراد داخل نطاق عملياتها، مما يستلزم تشغيلها داخل مناطق مغلقة.

الشكل 1: الأذرع الروبوتية الصناعية التقليدية والروبوتات التعاونية

تُمكّن الروبوتات التعاونية من العمل المتزامن مع البشر في المساحات المشتركة، وتُسهّل التفاعل المباشر ضمن مناطق العمل التعاوني. وبالمقارنة مع الأذرع الروبوتية التقليدية، تتحمل الروبوتات التعاونية عادةً حمولة قصوى تبلغ 20 كيلوغرامًا عند طرفها، مع نطاق تشغيل يُضاهي مدى وصول ذراع الإنسان. يتميز هيكلها ببساطته مقارنةً بالأذرع الروبوتية الصناعية التقليدية التي تتميز بآليات نقل معقدة، مع توفيرها استجابة حساسة للقوة، ومرونة عالية، وقدرات إدراكية قوية. تُمكّنها هذه الميزات من تعديل القوة ديناميكيًا أثناء التفاعل مع البشر، مما يمنع حدوث أضرار جسيمة. وبالتالي، يُمكن للروبوتات التعاونية العمل بأمان مع البشر لإنجاز المهام دون الحاجة إلى حواجز السلامة التقليدية.

تتفاعل الروبوتات التعاونية مع البشر بشكل مباشر، لذا تُعدّ السلامة شرطًا أساسيًا في هذا النوع من التعاون. ومن الضروري التحكم بدقة في الطاقة التشغيلية وعزم الدوران، مع تطبيق إجراءات تقنية مثل التحكم في التيار، والتحكم في عزم الدوران، ومستشعرات التلامس، وأنظمة كشف التصادم، وذلك لمنع إصابات الأفراد. كما تتطلب أنظمة التحكم الذكية في محركات الروبوتات مزيدًا من التحسين لإدارة السلامة، مما يُمكّن من التحكم السلس والتكيفي من خلال الحسابات الديناميكية والنمذجة القائمة على الملاحظة.

أكدت دراسة حديثة أجراها الاتحاد الدولي للروبوتات (IFR) أن تطوير الروبوتات في المستقبل سيتجه بشكل أساسي نحو البساطة وسهولة الاستخدام والمرونة والتعاون الآمن. وستحقق الروبوتات الصناعية مستويات أعلى من الأتمتة والذكاء تدريجياً؛ وسيساهم تصميمها سهل الاستخدام في تقليل العوائق التشغيلية، مما يُمكّن المزيد من الشركات من الاستفادة بسهولة من تكنولوجيا الروبوتات لتعزيز كفاءة الإنتاج. وفي الوقت نفسه، ستُمكّن التصاميم التي تتميز بالمرونة وقدرات التعاون الآمن الروبوتات من التكيف بشكل أفضل مع بيئات الإنتاج المتنوعة والمعقدة، مما يُسهّل التعاون بين الإنسان والروبوت ويُعزز التطوير الذكي والفعال للإنتاج الصناعي.

الشكل 2: منطقة عمل الروبوت التعاوني

1.2 أهمية البحث

في سوق الروبوتات التعاونية الحالية، تحظى الروبوتات ذات سبع درجات حرية بشعبية واسعة نظرًا لنطاق تشغيلها الواسع ومرونتها العالية. توفر هذه الروبوتات درجات حرية زائدة، مما يتيح إمكانات أكبر للأتمتة الصناعية والتصنيع الذكي. تُحقق كل درجة حرية من خلال مفصل روبوتي، وهو عامل حاسم في تحديد أداء الروبوت. تستخدم الشركات المصنعة الأربع الكبرى - FANUC وABB وYaskawa وKUKA - أنظمة نقل حركة مختلفة في أذرعها الروبوتية الصناعية التقليدية؛ إلا أنها تعتمد بشكل أساسي على محركات مؤازرة مقترنة بتروس مخروطية أو تروس مستقيمة أو أحزمة متزامنة لنقل الطاقة إلى المفاصل للدوران. تحد طرق النقل هذه من حجم المفاصل الروبوتية. ورغم إمكانية تحقيق دقة عالية، إلا أن التصغير لا يزال يمثل تحديًا. كما هو موضح في الشكل 3، تتطلب الروبوتات الصناعية التقليدية خزائن تحكم خارجية تحتوي على محركات مؤازرة، مع أسلاك عديدة تربط كل محرك بالخزانة، مما يحد من مرونة نشر أنظمة التحكم.

الشكل 3: روبوت صناعي تقليدي وخزانة تحكم

نظراً لعدم قدرة التكوينات التقليدية للمفاصل في أذرع الروبوتات الصناعية على تلبية متطلبات الروبوتات التعاونية، فقد تخلت هذه المفاصل عن آليات النقل التقليدية لصالح فلسفة تصميم جديدة. يركز هذا النهج على تحقيق أنظمة خفيفة الوزن، ومنخفضة الجهد، وعالية التكامل، وذلك من خلال دمج وحدة التحكم، ومحرك المؤازرة، والمحرك داخل المفصل نفسه، مع تنفيذ التوصيلات الكهربائية الأساسية داخلياً أيضاً. يتم الكشف عن عدد قليل جداً من واجهات التحكم خارجياً، مما يبسط عملية التوصيلات الخارجية ويقلل من التعقيد الهندسي. يُشار إلى هذا التصميم باسم المفصل المتكامل.

بالنظر إلى احتياجات التطوير الحالية واتجاهات تطوير مفاصل الروبوتات التعاونية، يُعدّ تصميم مفصل روبوت تعاوني متكامل وخفيف الوزن ومنخفض الجهد وعالي الأداء أمرًا بالغ الأهمية. يضم هذا المفصل المتكامل جميع المكونات الأساسية اللازمة لحركة المفصل، بما في ذلك المحركات ووحدات التحكم والمحركات والمستشعرات، ويمكنه العمل بشكل مستقل كوحدة مستقلة. عند توصيله بوحدة التحكم الرئيسية أو وحدات أخرى عبر ناقلات طاقة وتحكم بسيطة، يُحسّن هذا التصميم عالي التماسك ومنخفض الترابط بشكل كبير من قابلية توسيع نطاق الروبوتات التعاونية. وباستخدام هذا المفصل المعياري المتكامل وربطه بأذرع روبوتية ومؤثرات نهائية ذات أحجام مناسبة، يُمكن تجميع روبوتات تعاونية مصممة خصيصًا لتلبية متطلبات متنوعة بسهولة.

الشكل 4: رسم تخطيطي للمفصل المعياري

يُعدّ البحث في المفاصل المتكاملة للروبوتات التعاونية وأنظمة التحكم المؤازر الخاصة بها ذا أهمية بالغة لتطوير هذا المجال. تتألف التقنيات الأساسية لهذه المفاصل المتكاملة من عنصرين رئيسيين: مخفضات التوافقيات وأنظمة التحكم في محركات المفاصل، بالإضافة إلى خوارزميات التحكم الخاصة بها. تُركّز شركة Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. أبحاثها على أنظمة التحكم في محركات المفاصل للروبوتات التعاونية، حيث تُجري دراسات معمقة حول آليات تشغيل محركات المفاصل والتحكم بها. وتعمل الشركة على تطوير سلسلة من منتجات محركات المفاصل الروبوتية المتكاملة عالية الذكاء، والتي تُتيح إمكانيات تحكم أكثر مرونة وموثوقية لمفاصل الروبوتات التعاونية، مع دمج ميزات أساسية مثل الإدراك الذاتي، واتخاذ القرارات الذكية، والتنفيذ الماهر، والتحكم الدقيق، ما يُلبي متطلبات تطوير المعدات الذكية.

2- الوضع الحالي للبحوث محلياً ودولياً

في عام 1956، أسس الفيزيائي الأمريكي جو إنجلبرجر والمخترع جورج ديفول شركة روبوتات باسم يونيميشن، والتي نجحت في تطوير أول روبوت صناعي في العالم - يونيميت - في عام 1959.

بدأت شركة جنرال موتورز استخدام الروبوتات في الإنتاج الصناعي في مصنعها بولاية نيوجيرسي عام 1961. وفي عام 1969، استعانت اليابان بروبوتات من شركة يونيميشن، ثم رخصت تقنيتها لاحقًا لشركة كاواساكي للصناعات الثقيلة وشركة كوكاي البريطانية لتصنيع الروبوتات في اليابان والمملكة المتحدة على التوالي. ومع تطور صناعة السيارات اليابانية، حلّ عدد متزايد من الروبوتات محل العمالة البشرية في الإنتاج، مما أثبت جدواها العملية. ونتيجة لذلك، أولت اليابان اهتمامًا متزايدًا بتطوير الروبوتات الصناعية. فبدءًا من شركة كاواساكي للصناعات الثقيلة الرائدة في تبني تقنية الروبوتات، ثم ظهور شركات روبوتات عالمية مرموقة مثل فانوك وياسكاوا، أصبحت اليابان من الدول الرائدة عالميًا في مجال تقنيات الروبوتات المتطورة.

في عام 1973، عدّلت شركة KUKA الألمانية روبوت Unimate لإنتاج أول روبوت بست درجات حرية، وهو Famulus، الذي يعمل بمحرك كهربائي. وفي عام 1974، طوّرت شركة ASEA (سلف شركة ABB)، وهي شركة سويدية متخصصة في الأجهزة الكهربائية، أول روبوت كهربائي بالكامل في العالم، وهو IRB 6، الذي يُتحكم فيه بواسطة معالج دقيق، مما عزز ذكاء الروبوتات بشكل كبير. وفي عام 1978، نشرت شركة Unimation الأمريكية روبوتها الصناعي PUMA على نطاق واسع في خطوط تجميع شركة جنرال موتورز، مما أثبت جدوى الروبوتات الصناعية وقيمتها، ومثّل النضج الكامل لتكنولوجيا الروبوتات الصناعية، وبالتالي وضع أساسًا متينًا للتطورات التكنولوجية اللاحقة.

على مدى أكثر من أربعة عقود من تطوير الروبوتات الصناعية، شهدت التطورات التكنولوجية تقدماً مستمراً. ومع ذلك، ونظراً لاعتبارات السلامة، تُثبّت الروبوتات عادةً في محطات عمل محددة وتُعزل بحواجز واقية، مما يمنعها من العمل جنباً إلى جنب مع البشر في نفس المكان. هذا التكوين التقليدي يُقيّد التعاون بين الإنسان والروبوت، مما يُصعّب تحقيق عمليات تعاونية فعّالة حقاً. وعلى الرغم من المحاولات والاستكشافات العديدة، لا يزال تحقيق تعاون آمن بين الإنسان والروبوت يُمثّل تحدياً كبيراً في مجال الروبوتات الصناعية.

لم يتبلور مفهوم الروبوتات التعاونية إلا في عام ٢٠٠٥، وذلك بفضل مشروع رئيسي ممول من الاتحاد الأوروبي. جمعت هذه المبادرة شركات رائدة في مجال الروبوتات الصناعية، مثل ABB وKUKA وReis وComau وGudel، لتطوير روبوت صغير الحجم ومرن وبأسعار معقولة، مصمم خصيصًا للمؤسسات الصغيرة والمتوسطة، بهدف تقليل الاعتماد على الاستعانة بمصادر خارجية للعمالة. وقد أبرز هذا المشروع بوضوح إمكانات التعاون بين الإنسان والروبوت، مما أرسى أساسًا متينًا لمفهوم الروبوتات التعاونية.

كانت الروبوتات التعاونية المبكرة في الأساس عبارة عن تعديلات وتطبيقات للروبوتات الصناعية التقليدية، دون تغيير جوهري في فلسفة تصميمها أو أساليب تشغيلها. ومنذ تأسيسها عام ٢٠٠٥، كرست شركة يونيفرسال روبوتس جهودها لتطوير روبوتات تعاونية قادرة على العمل بأمان جنبًا إلى جنب مع العمال البشريين. وفي عام ٢٠٠٩، أطلقت الشركة روبوت UR5، أول روبوت تعاوني في العالم، مُعلنةً بذلك فجر هذا العصر. وفي وقت لاحق، قدمت شركة ريثينك روبوت باكستر ثنائي الذراع، وروبوت سوير الجديد أحادي الذراع، مما رسّخ تدريجيًا مكانة الروبوتات التعاونية كتخصص معترف به ومقبول ضمن مجال الروبوتات الصناعية. وقد أتاح هذا التقدم رؤىً جديدة وتوجهات مبتكرة لأتمتة الصناعة المستقبلية والتطوير الذكي.

الشكل 5: روبوت UR5 وروبوت سوير باكستر

عرضت شركة Siasun Robot، التابعة لمعهد شنيانغ للأتمتة التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، لأول مرة روبوتًا تعاونيًا مرنًا بسبعة محاور يمثل المستوى التكنولوجي المتقدم للصين في المعرض الصناعي في نوفمبر 2015. ومنذ ذلك الحين، اكتسبت العديد من نماذج الروبوتات التعاونية المحلية مثل Luoshi و Aobo الاعتراف تدريجيًا.

فيما يتعلق بالمفاصل الروبوتية، يكمن الفرق الأساسي بين مفاصل الروبوتات التعاونية ومفاصل الروبوتات الصناعية التقليدية الثقيلة في "مرونتها". وتتجلى هذه المرونة من خلال انخفاض الصلابة الميكانيكية، وتقليل القصور الذاتي، والقدرة على استشعار عزم الدوران. حاليًا، تنبع مرونة المفاصل المستخدمة في الأذرع الروبوتية التعاونية بشكل أساسي من التحكم الدقيق في الموضع وعزم الدوران.

الشكل 6: البنية النموذجية للمفصل المتكامل في الروبوتات التعاونية

يُظهر استعراض الأبحاث الحالية أن تطوير الروبوتات في الصين بدأ متأخرًا مقارنةً بدول مثل الولايات المتحدة واليابان. ولا تزال الأبحاث المتعلقة بالروبوتات التعاونية متأخرة بشكل ملحوظ عن المنتجات العالمية الحالية، حيث تكمن المعوقات الرئيسية في مُخفِّضات التوافقيات وأنظمة التحكم في محركات المفاصل. وتتمتع الروبوتات التعاونية المحلية حاليًا بإمكانات كبيرة للتحسين في قدرات التحكم في المفاصل، لا سيما من حيث دقة التحكم والتحكم الذكي. علاوة على ذلك، تشير اتجاهات أبحاث الروبوتات العالمية إلى أن السلامة والمرونة والذكاء هي سمات أساسية للتقدم التكنولوجي. وتتطور مفاصل الروبوتات نحو أنظمة تحكم في المحركات عالية التكامل وذكاء أكبر. وعلى الرغم من أن مفاصل الروبوتات التعاونية قد انتقلت من التحكم المركزي التقليدي إلى بنى التحكم في المحركات الموزعة، إلا أنها لا تُنفِّذ حاليًا سوى حركات مدفوعة بالمحركات، وتفتقر إلى القدرات في الإدراك الذاتي واتخاذ القرارات الذكية والتنفيذ الماهر، مما ينتج عنه مستويات منخفضة نسبيًا من الذكاء. ولا يزال هناك إمكانات كبيرة لتوسيع الطلب على أنظمة الروبوتات الذكية.