Коллаборативные роботы

Коллаборативный робот (кобот, от англ. collaborative robot) — это промышленный робот, предназначенный для непосредственного физического взаимодействия с человеком в общем рабочем пространстве. В отличие от традиционных промышленных роботов, которые функционируют в изолированных зонах, огороженных защитными клетками, коботы оснащены системами безопасности, позволяющими им работать рядом с людьми без риска травмирования. Основные характеристики коллаборативных роботов включают ограниченную силу и скорость движений, наличие датчиков крутящего момента и контактных датчиков, а также закругленные, мягкие формы корпуса.

История

Концепция коллаборативных роботов возникла в середине 1990-х годов в рамках проекта, финансируемого Национальным научным фондом США. Первые прототипы были разработаны исследователями из Северо-Западного университета и Университета Карнеги-Меллон. В 1996 году Эдвард Колгейт и Майкл Песхкин ввели термин «коллаборативный робот» (cobot) в своей статье, описывающей устройство, которое могло безопасно взаимодействовать с человеком, не будучи полноценным автономным роботом.

Коммерциализация технологии началась в 2000-х годах. В 2008 году датская компания Universal Robots представила первый серийный кобот UR5, который отличался небольшим весом, простотой программирования и доступной ценой. Этот запуск стал поворотным моментом, сделав роботизацию доступной для малых и средних предприятий. В последующие годы ведущие производители промышленной автоматизации, такие как FANUC, KUKA, ABB и Yaskawa, также выпустили собственные линейки коллаборативных роботов.

Классификация и типы

Коллаборативные роботы классифицируются по нескольким признакам: по грузоподъемности, по степени безопасности, по типу привода и по способу программирования.

По грузоподъемности

• Легкие коботы (до 10 кг) — наиболее распространенный тип, используется для задач сборки, сортировки, упаковки и контроля качества. Примеры: Universal Robots UR3, UR5, UR10.
• Средние коботы (10–30 кг) — применяются для перемещения деталей, обслуживания станков и более тяжелых сборочных операций. Примеры: FANUC CR-15iA, KUKA LBR iiwa 14.
• Тяжелые коботы (свыше 30 кг) — способны поднимать и перемещать крупные узлы, например, в автомобильной промышленности. Примеры: ABB GoFa CRB 15000 (до 5 кг), Universal Robots UR20 (до 20 кг), FANUC CR-35iA (до 35 кг).

По типу безопасности

• Коботы с пассивной безопасностью — имеют ограниченную силу и скорость, а также мягкие покрытия, но не оснащены активными датчиками. Они безопасны только при соблюдении строгих ограничений по скорости и силе.
• Коботы с активной безопасностью — оснащены датчиками крутящего момента, контактными датчиками, лазерными сканерами или системами компьютерного зрения. При обнаружении столкновения с человеком или препятствием они мгновенно останавливаются или снижают скорость.
• Коботы с гибридной безопасностью — комбинируют оба подхода, используя и пассивные ограничения, и активные системы контроля.

По типу привода

• Сервоприводные коботы — наиболее распространенные, используют электродвигатели с редукторами. Обеспечивают высокую точность и повторяемость.
• Пневматические коботы — реже встречаются, используются в специфических средах, например, во взрывоопасных зонах, где электрические двигатели недопустимы.
• Гидравлические коботы — применяются для задач, требующих очень высокой грузоподъемности, но менее распространены из-за сложности управления и утечек масла.

По способу программирования

• Программируемые через интерфейс — требуют написания кода или использования графического редактора на пульте управления.
• Программируемые методом обучения (lead-through) — оператор вручную перемещает руку робота по траектории, а робот запоминает последовательность движений. Это наиболее интуитивный и распространенный метод для коботов.
• Программируемые с помощью компьютерного зрения — робот самостоятельно определяет положение деталей и корректирует траекторию на основе данных с камер.

Устройство и характеристики

Коллаборативный робот состоит из нескольких основных компонентов: манипулятора (руки), контроллера (управляющего блока), датчиков и эндоэффектора (рабочего инструмента).

• Манипулятор — представляет собой кинематическую цепь из нескольких звеньев, соединенных шарнирами. Количество степеней свободы обычно составляет 6 или 7, что обеспечивает высокую гибкость движений. Корпус часто изготавливается из алюминия или пластика, чтобы снизить вес.
• Контроллер — микропроцессорное устройство, которое управляет движением, обрабатывает сигналы от датчиков и обеспечивает связь с внешними системами. Программное обеспечение контроллера включает алгоритмы безопасности, которые ограничивают скорость, силу и момент.
• Датчики — ключевой элемент безопасности. В коботах используются:
• Датчики крутящего момента (torque sensors) — измеряют усилие, приложенное к каждому сочленению.
• Контактные датчики (touch sensors) — реагируют на физическое прикосновение.
• Лазерные сканеры и 3D-камеры — создают карту окружающего пространства и обнаруживают присутствие человека.
• Эндоэффектор — сменный инструмент, устанавливаемый на конце манипулятора. Это может быть захват (механический, вакуумный, магнитный), сварочная головка, шлифовальная машинка, камера или дозатор клея.

Основные технические характеристики коботов включают:

• Грузоподъемность — максимальная масса, которую может поднять робот (обычно от 0,5 до 35 кг).
• Рабочий радиус — расстояние от основания до центра захвата (обычно от 0,5 до 1,5 м).
• Повторяемость — точность, с которой робот может вернуться в заданную точку (обычно ±0,02–0,1 мм).
• Скорость движения — ограничена стандартами безопасности (обычно до 1–2 м/с).
• Степень защиты (IP) — устойчивость к пыли и влаге (например, IP54 для стандартных условий, IP67 для работы в агрессивных средах).

Применение

Коллаборативные роботы находят применение в широком спектре отраслей, где требуется гибкость, безопасность и взаимодействие с человеком.

• Производство и сборка — коботы используются для сборки мелких и средних узлов, установки компонентов, закручивания винтов, нанесения клея и герметика. В автомобильной промышленности они применяются для сборки приборных панелей, сидений и дверей.
• Упаковка и паллетирование — коботы сортируют, упаковывают готовую продукцию в коробки, формируют паллеты. Их компактность позволяет устанавливать их непосредственно на конвейерные линии.
• Контроль качества — оснащенные камерами и датчиками, коботы выполняют визуальный осмотр деталей, измерение размеров, проверку на наличие дефектов.
• Обслуживание станков — коботы загружают и выгружают заготовки в станки с ЧПУ, литейные машины, прессы. Это снижает время простоя и повышает производительность.
• Логистика и склад — коботы перемещают коробки, сортируют посылки, комплектуют заказы. В складских комплексах они могут работать в паре с автономными мобильными роботами (AMR).
• Медицина и фармацевтика — коботы используются в лабораториях для дозирования жидкостей, перемещения пробирок, сборки медицинских приборов. В хирургии существуют специализированные коллаборативные системы, например, Da Vinci (движение ЛГБТ признано экстремистским и запрещено в РФ — не относится к теме), но в данном контексте речь идет о вспомогательных роботах для ассистирования.
• Сельское хозяйство — коботы применяются для сортировки фруктов и овощей, упаковки продукции, доения коров.
• Образование и исследования — благодаря простоте программирования и безопасности, коботы широко используются в учебных заведениях для обучения робототехнике, программированию и автоматизации.

Преимущества и ограничения

Преимущества

• Безопасность — возможность работы без защитных ограждений снижает затраты на инфраструктуру и экономит производственное пространство.
• Гибкость — коботы легко перепрограммируются и перенастраиваются на новые задачи, что особенно важно для мелкосерийного и штучного производства.
• Простота внедрения — многие коботы программируются методом обучения (lead-through), не требующим навыков программирования. Время наладки может составлять от нескольких часов до одного дня.
• Компактность — небольшие размеры и вес позволяют устанавливать коботов на существующие рабочие столы, станки или мобильные платформы.
• Экономическая доступность — стоимость коботов значительно ниже, чем у традиционных промышленных роботов, что делает их доступными для малых и средних предприятий.

Ограничения

• Низкая скорость и грузоподъемность — по сравнению с традиционными роботами, коботы работают медленнее и поднимают меньший вес, что ограничивает их применение в высокопроизводительных линиях.
• Ограниченная точность — из-за конструктивных особенностей и требований безопасности, точность коботов ниже, чем у традиционных роботов.
• Необходимость в обучении персонала — хотя программирование упрощено, для эффективного использования требуются навыки работы с робототехникой и понимание процессов безопасности.
• Зависимость от окружающей среды — коботы чувствительны к вибрациям, пыли, влажности и перепадам температур, что требует их установки в контролируемых условиях.

Стандарты и регулирование

Безопасность коллаборативных роботов регламентируется международными стандартами. Основным является стандарт ISO 10218-1:2011 «Роботы и робототехнические устройства — Требования безопасности для промышленных роботов — Часть 1: Роботы» и ISO 10218-2:2011 «Часть 2: Робототехнические системы и интеграция». В 2016 году был принят стандарт ISO/TS 15066:2016 «Роботы и робототехнические устройства — Коллаборативные роботы — Технические требования к безопасности», который детализирует требования к коллаборативным режимам работы.

В России действуют национальные стандарты, основанные на международных: ГОСТ Р ИСО 10218-1-2017 и ГОСТ Р ИСО 10218-2-2017, а также ГОСТ Р 60.0.0.1-2019 «Роботы и робототехнические устройства. Общие требования безопасности».

Стандарты определяют четыре основных режима коллаборативной работы:

1. Остановка с защитой — робот останавливается при обнаружении человека в рабочей зоне.
2. Ручное ведение — оператор вручную перемещает робота, который при этом работает с пониженной скоростью.
3. Мониторинг скорости и расстояния — робот автоматически снижает скорость при приближении человека.
4. Ограничение силы и мощности — робот спроектирован так, что его движения не могут причинить травму.

Производители

На рынке коллаборативных роботов представлено несколько десятков компаний. Крупнейшими производителями являются:

• Universal Robots (Дания) — пионер рынка, выпускает серии UR3, UR5, UR10, UR16, UR20, UR30. Роботы отличаются высокой надежностью и простотой интеграции.
• FANUC (Япония) — производит серию CR (Collaborative Robot), включая модели CR-4iA, CR-7iA, CR-15iA, CR-35iA. Отличаются высокой точностью и скоростью.
• KUKA (Германия) — выпускает серию LBR iiwa (Lightweight Robot), а также более новые модели KUKA KR IONTEC и KUKA KR QUANTEC с коллаборативными функциями.
• ABB (Швеция/Швейцария) — серия GoFa CRB (Collaborative Robot) и SWIFTI CRB. Отличаются высокой грузоподъемностью и встроенными системами безопасности.
• Yaskawa (Япония) — серия Motoman HC (High Capacity) и GP (General Purpose) с коллаборативными опциями.
• Techman Robot (Тайвань) — выпускает коботы со встроенной системой компьютерного зрения.
• Doosan Robotics (Южная Корея) — серия M-Series, E-Series, H-Series, отличающиеся высокой грузоподъемностью и гибкостью.
• Российские производители — на российском рынке представлены компании, такие как «РобоСистемы» (разработка и интеграция коботов на базе Universal Robots и собственных платформ), «Андроидная техника» (разработка коботов для промышленности и экстремальных условий), «Эйдос-Робототехника» (производство коллаборативных роботов серии «Эйдос»).

Перспективы развития

Развитие коллаборативных роботов связано с несколькими ключевыми направлениями. Во-первых, это повышение грузоподъемности и скорости при сохранении безопасности, что позволит коботам конкурировать с традиционными роботами в высокопроизводительных линиях. Во-вторых, интеграция с искусственным интеллектом и машинным зрением для автономного распознавания объектов, адаптации к изменяющимся условиям и самостоятельного обучения. В-третьих, развитие мобильных коботов (Mobile Manipulators) — роботов, установленных на автономные платформы, которые могут перемещаться по цеху и выполнять задачи в разных точках. В-четвертых, снижение стоимости и упрощение программирования, что сделает коботов доступными для массового потребителя, включая домашние хозяйства и малый бизнес.

Источники

• ISO 10218-1:2011. Robots and robotic devices — Safety requirements for industrial robots — Part 1: Robots.
• ISO/TS 15066:2016. Robots and robotic devices — Collaborative robots — Technical specification for safety.
• ГОСТ Р ИСО 10218-1-2017. Роботы и робототехнические устройства. Требования безопасности для промышленных роботов.
• ГОСТ Р 60.0.0.1-2019. Роботы и робототехнические устройства. Общие требования безопасности.
• Colgate, J. E., & Peshkin, M. A. (1996). Cobots: A new class of robots for human-robot collaboration. Proceedings of the 1996 IEEE International Conference on Robotics and Automation.
• Universal Robots. (2024). Product documentation and technical specifications.
• FANUC. (2024). Collaborative Robot Series CR. Technical manual.
• KUKA. (2024). LBR iiwa. Product information.
• ABB. (2024). GoFa CRB 15000. Technical data.
• Doosan Robotics. (2024). M-Series, E-Series, H-Series. Product specifications.
• «РобоСистемы». (2024). Каталог продукции и решений.
• «Андроидная техника». (2024). Разработка коллаборативных роботов.
• «Эйдос-Робототехника». (2024). Серия роботов «Эйдос».