1.1 Araştırma Arka Planı
Bilim ve teknolojinin hızlı ilerlemesiyle birlikte,akıllı yeteneklerAkıllı üretim, endüstriyel gelişimde baskın bir trend haline gelerek sürekli iyileşme göstermektedir. Örneğin, Çin Bilgi Endüstrisi Bakanlığı tarafından yayınlanan veriler, yerli akıllı üretimin 2023 yılında %11,6'lık kayda değer bir büyüme kaydettiğini göstermektedir; bu da ülkenin bu alandaki sürekli çabalarının ve teknolojik yeniliklerinin bir kanıtıdır. Dahası, akıllı üretim işletmeleri arasında yapılan yeniliklerin sayısı, yüksek teknoloji ekipman üretimi, ileri malzemeler ve çevre teknolojileri gibi sektörleri kapsayacak şekilde önemli ölçüde artmış ve sektörün canlılığını ve derin dönüşümünü yansıtmıştır. Bu trend, geleneksel üretim yöntemlerinde devrim yaratmakla kalmamış, aynı zamanda endüstriyel yükseltmeyi hızlandırarak hem verimliliği hem de kaliteyi artırmıştır. Giderek artan bir şekilde, otomatik üretim hatları ve endüstriyel robotlar insan emeğinin yerini almaktadır.
Gelişmelerle birlikteakıllı üretim çağıEndüstriyel robotların yüksek otomasyonlu ve akıllı teknolojik özellikleri, imalat sektörünün üretim süreçlerinde yüksek hassasiyet, kullanım kolaylığı ve esneklik talepleriyle mükemmel bir uyum içindedir. Bu durum, imalatta önemlerini artırarak, endüstriyel dönüşüm ve yükseltmeyi yönlendiren önemli bir güç haline getirmiştir. Hem makine-makine hem de insan-robot işbirliğini sağlayabilen endüstriyel cihazlar olan işbirlikçi robotlar, otonom davranışları ve işbirlikçi yetenekleri nedeniyle robotik araştırmalarında önemli bir odak noktası haline gelmiş ve gelecekteki endüstriyel robotikte baskın bir rol oynamaya aday hale gelmiştir. İşbirlikçi robot teknolojisinde, tork tepki hızı, tork doğruluğu, konumlandırma hassasiyeti, güç tüketimi ve sıcaklık kararlılığı gibi servo motor performans ölçütleri, bir robotun hareket verimliliğini, kararlılığını ve doğruluğunu doğrudan belirler. Robotların güç çekirdeği olarak servo sistemlerinin performansı, hareket hassasiyetini ve güvenilirliğini kritik olarak etkiler. Özellikle, eklem servo motorları konumlandırma doğruluğunun sağlanmasında çok önemli bir rol oynar. Mükemmel bir eklem servo motoru, karmaşık görevler sırasında hassas konumlandırma ve kararlı hareket sağlayarak, operasyonel verimliliği artırır ve hataları en aza indirir.
“Robot Endüstrisi Geliştirme için 14. Beş Yıllık Plan”, özellikle işbirlikçi robotlar için uygun olan akıllı entegre robotik eklemler üzerine yapılan araştırmaları vurgulamaktadır. Yüksek düzeyde entegre tasarım konsepti, altta yatan aktüatörleri, sensörleri ve sürücüleri doğrudan eklemin içine entegre ederek her bir eklemi bağımsız bir kontrol ünitesine dönüştürmektedir. İç yapıyı ve düzeni optimize ederek, dağıtılmış kontrol mimarisi, farklı sistem seviyeleri arasındaki kablo sayısını önemli ölçüde azaltır, böylece bakım maliyetlerini düşürür ve genel güvenilirliği artırır. Modüler tasarım ayrıca eklem değişimini ve bakımını kolaylaştırarak işbirlikçi robotların pazar rekabet gücünü önemli ölçüde artırır.
Oişbirlikçi robotlar kavramıİlk olarak 1996 yılında tanıtılan işbirlikçi robotlar, tasarım felsefesiyle üretim hatlarında robotlar ve insanlar arasında koordineli operasyonlar sağlayarak geleneksel robotik alanında devrim yarattı. Bu işbirlikçi yaklaşım, robotların verimliliğini ve hassasiyetini artırmanın yanı sıra insan zekasını ve esnekliğini de entegre ederek operasyonel verimliliği ve akıcılığı artırır. Geleneksel endüstriyel robotlara kıyasla, işbirlikçi robotlar belirgin özellikler sergileyerek robotik alanında önemli bir alt kategori olarak kendilerini kanıtlamışlardır. Hem fiziksel yapıları hem de kontrol sistemleri önemli ölçüde değişiklik geçirmiştir. Şekil 1'de gösterilen robotik kol konfigürasyonları gibi geleneksel endüstriyel robotlar, öncelikle paletleme, malzeme taşıma, kaynak ve lazer kesim uygulamalarında kullanılır. Bu robotlar yüksek rijitlik, yapısal kararlılık ve güçlü yük taşıma kapasitesine sahip olsalar da, bazı sınırlamaları da vardır: nispeten büyük boyut ve kütle, önemli hareket ataleti, esnekliği düşük hantal tasarımlar ve yüksek çevik montaj görevlerini gerçekleştirememe. Ek olarak, önemli atalet momentumları ve yüksek hızlı hareketleri, çalışma yarıçapları içindeki personel için önemli güvenlik riskleri oluşturarak, kapalı alanlarda çalıştırılmalarını gerektirir.
Şekil 1 Geleneksel endüstriyel robot kolları ve işbirlikçi robotlar
İşbirlikçi robotlar, paylaşılan alanlarda insanlarla eş zamanlı çalışmayı mümkün kılar ve işbirlikçi bölgelerde yakın mesafeli etkileşimi kolaylaştırır. Geleneksel robot kollarına kıyasla, işbirlikçi robotlar genellikle uç efektörlerinde maksimum 20 kg yük taşıyabilir ve çalışma menzilleri insan kolunun erişim mesafesine benzerdir. Yapıları, karmaşık iletim mekanizmalarına sahip geleneksel endüstriyel robot kollarından daha basittir; aynı zamanda hassas kuvvet geri bildirimi, hafif esneklik ve sağlam algılama yetenekleri sunarlar. Bu özellikler, insan etkileşimleri sırasında kuvveti dinamik olarak ayarlamalarına ve şiddetli hasarı etkili bir şekilde önlemelerine olanak tanır. Sonuç olarak, işbirlikçi robotlar, geleneksel güvenlik bariyerlerine ihtiyaç duymadan görevleri tamamlamak için insanlarla güvenli bir şekilde işbirliği yapabilirler.
İşbirlikçi robotlar doğrudan insan teması gerektiren işlemler gerçekleştirir; bu nedenle, insan-robot işbirliğinde güvenlik vazgeçilmez bir gerekliliktir. Personelin yaralanmasını önlemek için akım kontrolü, tork kontrolü, temas sensörleri ve çarpışma tespiti gibi teknik önlemler kullanılırken, operasyonel güç ve dönme torkunun sıkı bir şekilde kontrol edilmesi şarttır. Robotların akıllı tahrik kontrol sistemleri de güvenlik yönetimi için daha fazla optimizasyona ihtiyaç duyar ve dinamik hesaplamalar ve gözlemci tabanlı modelleme yoluyla uyarlanabilir düzgün kontrolü mümkün kılar.
Uluslararası Robotik Federasyonu (IFR) yakın tarihli bir araştırmada, gelecekteki robot geliştirme çalışmalarının öncelikle sadelik, kullanım kolaylığı, esneklik ve güvenli iş birliğine yönelik eğilimler göstereceğini vurguladı. Endüstriyel robotlar giderek daha yüksek otomasyon ve zeka seviyelerine ulaşacak; kullanıcı dostu tasarımları operasyonel engelleri azaltarak daha fazla işletmenin üretim verimliliğini artırmak için robotik teknolojisinden zahmetsizce yararlanmasını sağlayacaktır. Bu arada, esneklik ve güvenli iş birliği yeteneklerine sahip tasarımlar, robotların çeşitli ve karmaşık üretim ortamlarına daha iyi uyum sağlamasını, insan-robot iş birliğini kolaylaştırmasını ve endüstriyel üretimin akıllı ve verimli gelişimini daha da ilerletmesini sağlayacaktır.
Şekil 2: İşbirlikçi robotun çalışma alanı
1.2 Araştırmanın Önemi
Günümüzün işbirlikçi robotik pazarında, geniş çalışma aralığı ve esneklikleri nedeniyle yedi serbestlik dereceli robotlar tercih edilmektedir. Bu robotlar, yedekli serbestlik dereceleri sağlayarak endüstriyel otomasyon ve akıllı üretim için daha büyük bir potansiyel sunmaktadır. Her bir serbestlik derecesi, robotik performansı belirlemede kritik bir faktör olan bir robotik eklem aracılığıyla elde edilir. Dört büyük üretici—FANUC, ABB, Yaskawa ve KUKA—geleneksel endüstriyel robotik kollarında farklı iletim sistemleri kullanmaktadır; ancak, temelde eklemlere dönme gücü iletmek için konik dişliler, düz dişliler veya senkron kayışlarla eşleştirilmiş servo motorlar kullanmaktadırlar. Bu iletim yöntemleri, robotik eklemlerin boyutunu sınırlandırmaktadır. Yüksek hassasiyet elde etmek mümkün olsa da, minyatürleştirme zorlu olmaya devam etmektedir. Şekil 3'te gösterildiği gibi, geleneksel endüstriyel robotlar, her bir motoru kabine bağlayan çok sayıda kabloya sahip, motor servo sürücülerini barındıran harici kontrol kabinlerine ihtiyaç duymaktadır; bu da kontrol sistemlerinin esnek bir şekilde konuşlandırılmasını kısıtlamaktadır.
Şekil 3 Geleneksel endüstriyel robot ve kontrol kabini
Endüstriyel robot kollarının geleneksel eklem konfigürasyonlarının artık işbirlikçi robotların gereksinimlerini karşılayamadığı göz önüne alındığında, bu eklemler geleneksel iletim mekanizmalarını terk ederek yeni bir tasarım felsefesini benimsemiştir. Bu yaklaşım, kontrol ünitesini, servo sürücüsünü ve motoru eklemin içine entegre ederek, altta yatan elektrik bağlantılarını da dahili olarak uygulayarak, hafif, düşük voltajlı ve yüksek düzeyde entegre sistemler elde etmeye odaklanmaktadır. Dışarıda yalnızca minimum sayıda kontrol arayüzü açıkta bırakılarak, harici kablolama basitleştirilir ve mühendislik karmaşıklığı azaltılır. Bu tür bir tasarıma entegre eklem denir.
İşbirlikçi robot eklemlerindeki mevcut gelişim ihtiyaçları ve eğilimleri göz önüne alındığında, hafif, düşük voltajlı, yüksek entegrasyonlu ve yüksek performanslı entegre bir işbirlikçi robot eklemi tasarlamak özellikle önemlidir. Bu tür entegre bir eklem, eklem hareketi için gerekli tüm temel bileşenleri (aktüatörler, kontrolcüler, sürücüler ve sensörler dahil) içerir ve bağımsız bir modül olarak çalışabilir. Ana kontrolcüye veya diğer modüllere basit güç ve kontrol hatları aracılığıyla bağlandığında, bu yüksek uyumlu ancak düşük bağlantılı tasarım, işbirlikçi robotların ölçeklenebilirliğini önemli ölçüde artırır. Bu entegre modüler eklemi kullanarak ve uygun boyutlarda robot kolları ve uç efektörlerle eşleştirerek, çeşitli gereksinimlere göre uyarlanmış işbirlikçi robotlar kolayca monte edilebilir.
Şekil 4. Modüler bağlantının şematik diyagramı.
İşbirlikçi robotlar için entegre eklemler ve servo kontrol sistemleri üzerine yapılan araştırmalar, işbirlikçi robotik alanının ilerlemesi için büyük önem taşımaktadır. Bu entegre eklemlerin temel teknolojileri iki ana bileşenden oluşmaktadır: harmonik redüktörler ve eklem motor tahrik-kontrol sistemleri ile bunlara karşılık gelen kontrol algoritmaları. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd., araştırmalarını işbirlikçi robotlar için eklem motor tahrik-kontrol sistemlerine odaklayarak, eklem motor tahrik ve kontrol mekanizmaları üzerine derinlemesine çalışmalar yürütmektedir. Şirket, işbirlikçi robot eklemleri için daha esnek ve güvenilir kontrol yetenekleri sağlayan, aynı zamanda öz algılama, akıllı karar verme, becerikli uygulama ve hassas kontrol gibi kritik özellikleri bir araya getiren ve böylece akıllı ekipman geliştirme taleplerini karşılayan bir dizi yüksek zekalı entegre robot eklem motor ürünü geliştirmektedir.
2. Yurtiçi ve Yurtdışı Araştırmaların Güncel Durumu
1956'da Amerikalı fizikçi Joe Engelberger ve mucit George Devol, Unimation adında bir robotik şirketi kurdu ve bu şirket 1959'da dünyanın ilk endüstriyel robotu olan Unimate'i başarıyla geliştirdi.
General Motors, endüstriyel üretimde robotları ilk olarak 1961 yılında New Jersey tesisinde kullanmaya başladı. 1969'da Japonya, Unimation'dan robotlar ithal etti ve daha sonra bu teknolojiyi Japonya'daki robot üretim operasyonları için Kawasaki Heavy Industries'e ve İngiltere merkezli KUKAI Corporation'a lisansladı. Japonya'nın otomotiv endüstrisindeki gelişmelerle birlikte, üretimde insan emeğinin yerini alan robotların sayısı artarak pratik değerlerini tam olarak ortaya koydu. Sonuç olarak, Japonya endüstriyel robotik geliştirmeye giderek daha fazla önem vermeye başladı. Robot teknolojisinin benimsenmesinde öncü olan Kawasaki Heavy Industries ile başlayan ve FANUC ve Yaskawa gibi dünyaca ünlü robotik şirketlerinin ortaya çıkmasıyla devam eden süreçte, Japonya, küresel olarak en ileri robotik teknolojilerine hakim olan ülkelerden biri haline geldi.
1973'te Alman şirketi KUKA, Unimate robotunu modifiye ederek elektrik motoruyla çalışan ilk altı serbestlik dereceli robot olan Famulus'u yarattı. 1974'te, İsveçli genel elektrik şirketi ASEA (ABB'nin öncüsü), mikroişlemci tarafından kontrol edilen dünyanın ilk tamamen elektrikli robotu IRB 6'yı geliştirerek robotik zekayı önemli ölçüde geliştirdi. 1978'de ABD merkezli Unimation şirketi, PUMA endüstriyel robotunu General Motors'un montaj hatlarında yaygın olarak kullanarak endüstriyel robotların pratikliğini ve değerini daha da gösterdi ve endüstriyel robot teknolojisinin tam olgunluğunu işaret ederek sonraki teknolojik gelişmeler için sağlam bir temel oluşturdu.
Endüstriyel robotik alanındaki kırk yılı aşkın gelişim sürecinde teknolojik ilerlemeler sürekli olmuştur. Bununla birlikte, güvenlik nedenleriyle robotlar genellikle belirli çalışma istasyonlarına sabitlenir ve korkuluklarla izole edilerek insanlarla aynı alanda yan yana çalışmaları engellenir. Bu geleneksel yapılandırma, insan-robot işbirliğini sınırlandırarak gerçekten verimli işbirlikçi operasyonlar elde etmeyi zorlaştırır. Çok sayıda deneme ve araştırmaya rağmen, güvenli insan-robot işbirliği sağlamak, endüstriyel robotik alanında önemli bir zorluk olmaya devam etmektedir.
2005 yılına kadar, AB tarafından finanse edilen büyük bir proje, işbirlikçi robotlar kavramını ortaya koymamıştı. Bu girişim, küçük ve orta ölçekli işletmeler için özel olarak tasarlanmış, uygun fiyatlı, kompakt ve esnek bir robot geliştirmek amacıyla ABB, KUKA, Reis, Comau ve Gudel gibi önde gelen endüstriyel robot şirketlerini bir araya getirdi ve iş gücü dış kaynak kullanımına olan bağımlılığı azaltmayı hedefledi. Bu proje, insan-robot işbirliğinin potansiyelini açıkça vurgulayarak, işbirlikçi robotlar kavramı için sağlam bir temel oluşturdu.
İlk işbirlikçi robotlar, tasarım felsefelerini veya çalışma biçimlerini temelden değiştirmeden, esasen geleneksel endüstriyel robotların modifikasyonları ve uygulamalarıydı. 2005 yılında kurulduğundan beri Universal Robots, insan işçilerle güvenli bir şekilde birlikte çalışabilen işbirlikçi robotlar geliştirmeye kendini adamıştır. Şirket, 2009 yılında dünyanın ilk işbirlikçi robotu olan UR5'i piyasaya sürerek bu dönemin başlangıcını işaretledi. Ardından Rethink, çift kollu Baxter ve yeni tek kollu Sawyer robotunu tanıtarak, işbirlikçi robotik alanını endüstriyel robotik içinde tanınmış ve kabul görmüş bir disiplin olarak kademeli olarak kurdu. Bu ilerleme, gelecekteki endüstriyel otomasyon ve akıllı geliştirme için yeni içgörüler ve yönler sağlamıştır.
Şekil 5: UR5 robotu ve Sawyer Baxter robotu
Çin Bilimler Akademisi Shenyang Otomasyon Enstitüsü'ne bağlı Siasun Robot Şirketi, ilk olarak Kasım 2015'teki Sanayi Fuarı'nda Çin'in ileri teknoloji seviyesini temsil eden yedi eksenli esnek bir işbirlikçi robotu sergiledi. O zamandan beri, Luoshi ve Aobo gibi çok sayıda yerli işbirlikçi robot modeli giderek daha fazla tanınmaya başladı.
Robot eklemleri söz konusu olduğunda, işbirlikçi robot eklemleri ile geleneksel ağır hizmet tipi endüstriyel robotların eklemleri arasındaki temel fark "esneklik"lerinde yatmaktadır. Bu esneklik, daha düşük mekanik sertlik, azaltılmış atalet ve tork algılama yeteneği ile kendini gösterir. Şu anda, işbirlikçi robot kollarında kullanılan eklem esnekliği esas olarak hassas konum kontrolü ve tork kontrolünden kaynaklanmaktadır.
Şekil 6. İşbirlikçi robotlarda entegre eklemin tipik yapısı.
Mevcut araştırmalara genel bir bakış, Çin'in robotik gelişiminin Amerika Birleşik Devletleri ve Japonya gibi ülkelerden daha geç başladığını ortaya koymaktadır. İşbirlikçi robotlar üzerine yapılan araştırmalar, harmonik redüktörler ve eklem motor tahrik kontrol sistemlerindeki temel darboğazlarla birlikte, mevcut uluslararası ürünlerin önemli ölçüde gerisinde kalmaktadır. Yerli işbirlikçi robotlar, özellikle kontrol hassasiyeti ve akıllı kontrol açısından, eklem kontrol yeteneklerinde önemli ölçüde iyileştirme potansiyeline sahiptir. Dahası, küresel robotik araştırma trendleri, güvenlik, esneklik ve zekanın teknolojik ilerlemenin baskın özellikleri olduğunu göstermektedir. Robot eklemleri, yüksek düzeyde entegre tahrik-kontrol sistemlerine ve daha yüksek zekaya doğru evrimleşmektedir. İşbirlikçi robot eklemleri geleneksel merkezi kontrolden dağıtılmış tahrik-kontrol mimarilerine geçiş yapmış olsa da, şu anda yalnızca motor tahrikli eylemleri gerçekleştirmekte, otonom algılama, akıllı karar verme ve becerikli uygulama yeteneklerinden yoksun kalmaktadır; bu da nispeten düşük zeka seviyelerine yol açmaktadır. Akıllı robotik sistemlere yönelik talebin genişlemesi için önemli bir potansiyel mevcuttur.
Yayın tarihi: 22 Mayıs 2026
