งานวิจัยเกี่ยวกับการควบคุมการเคลื่อนไหวร่วมกันแบบบูรณาการของหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน

1.1 ข้อมูลพื้นฐานด้านการวิจัย

ด้วยความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีความสามารถอัจฉริยะการพัฒนาด้านการผลิตอัจฉริยะยังคงดำเนินต่อไป ทำให้การผลิตอัจฉริยะกลายเป็นแนวโน้มที่สำคัญในการพัฒนาอุตสาหกรรม ตัวอย่างเช่น ข้อมูลที่เผยแพร่โดยกระทรวงอุตสาหกรรมสารสนเทศของจีนแสดงให้เห็นว่าการผลิตอัจฉริยะภายในประเทศเติบโตอย่างน่าทึ่งถึง 11.6% ในปี 2023 ซึ่งเป็นเครื่องพิสูจน์ถึงความพยายามอย่างต่อเนื่องและนวัตกรรมทางเทคโนโลยีของประเทศในด้านนี้ นอกจากนี้ จำนวนนวัตกรรมในหมู่บริษัทผู้ผลิตอัจฉริยะยังเพิ่มขึ้นอย่างมาก ครอบคลุมภาคส่วนต่างๆ เช่น การผลิตอุปกรณ์ระดับสูง วัสดุขั้นสูง และเทคโนโลยีด้านสิ่งแวดล้อม สะท้อนให้เห็นถึงความมีชีวิตชีวาและการเปลี่ยนแปลงอย่างลึกซึ้งของอุตสาหกรรม แนวโน้มนี้ไม่เพียงแต่ปฏิวัติวิธีการผลิตแบบดั้งเดิมเท่านั้น แต่ยังเร่งการยกระดับอุตสาหกรรม เพิ่มทั้งประสิทธิภาพและคุณภาพ สายการผลิตอัตโนมัติและหุ่นยนต์อุตสาหกรรมกำลังเข้ามาแทนที่แรงงานมนุษย์มากขึ้นเรื่อยๆ

ด้วยความก้าวหน้าของยุคการผลิตอัจฉริยะด้วยคุณสมบัติทางเทคโนโลยีที่ชาญฉลาดและเป็นระบบอัตโนมัติสูงของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม จึงสอดคล้องอย่างลงตัวกับความต้องการที่เพิ่มขึ้นของอุตสาหกรรมการผลิตในด้านความแม่นยำสูง ความสะดวกในการใช้งาน และความยืดหยุ่นในกระบวนการผลิต สิ่งนี้ได้ยกระดับความสำคัญของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม ทำให้พวกมันเป็นแรงขับเคลื่อนสำคัญในการเปลี่ยนแปลงและยกระดับอุตสาหกรรม หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน (Collaborative robots) ซึ่งเป็นอุปกรณ์อุตสาหกรรมที่สามารถทำงานร่วมกันได้ทั้งระหว่างเครื่องจักรกับเครื่องจักรและระหว่างมนุษย์กับหุ่นยนต์ ได้กลายเป็นจุดสนใจหลักในการวิจัยด้านหุ่นยนต์ เนื่องจากพฤติกรรมที่เป็นอิสระและความสามารถในการทำงานร่วมกัน ทำให้พวกมันมีบทบาทสำคัญในหุ่นยนต์อุตสาหกรรมในอนาคต ในเทคโนโลยีหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน ตัวชี้วัดประสิทธิภาพของมอเตอร์เซอร์โว ซึ่งรวมถึงความเร็วในการตอบสนองแรงบิด ความแม่นยำของแรงบิด ความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่ง การใช้พลังงาน และความเสถียรของอุณหภูมิ จะกำหนดประสิทธิภาพ ความเสถียร และความแม่นยำในการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์โดยตรง ในฐานะที่เป็นแกนหลักของพลังงานของหุ่นยนต์ ประสิทธิภาพของระบบเซอร์โวส่งผลกระทบอย่างมากต่อความแม่นยำและความน่าเชื่อถือในการเคลื่อนที่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มอเตอร์เซอร์โวข้อต่อมีบทบาทสำคัญในการบรรลุความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่ง มอเตอร์เซอร์โวข้อต่อที่ดีเยี่ยมช่วยให้มั่นใจได้ถึงการกำหนดตำแหน่งที่แม่นยำและการเคลื่อนที่ที่เสถียรในระหว่างงานที่ซับซ้อน ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานและลดข้อผิดพลาดให้น้อยที่สุด

แผนพัฒนาอุตสาหกรรมหุ่นยนต์ระยะ 5 ปี ฉบับที่ 14 เน้นการพัฒนาการวิจัยเกี่ยวกับข้อต่อหุ่นยนต์อัจฉริยะแบบบูรณาการ โดยข้อต่อดังกล่าวมีความเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน แนวคิดการออกแบบแบบบูรณาการสูงนี้ได้รวมเอาตัวขับเคลื่อน เซ็นเซอร์ และไดรเวอร์เข้าไว้ในข้อต่อโดยตรง ทำให้แต่ละข้อต่อกลายเป็นหน่วยควบคุมอิสระ ด้วยการปรับโครงสร้างและเค้าโครงภายในให้เหมาะสม สถาปัตยกรรมควบคุมแบบกระจายช่วยลดจำนวนสายเคเบิลระหว่างระดับระบบต่างๆ ได้อย่างมาก จึงช่วยลดต้นทุนการบำรุงรักษาและเพิ่มความน่าเชื่อถือโดยรวม การออกแบบแบบโมดูลาร์ยังช่วยให้การเปลี่ยนและบำรุงรักษาข้อต่อทำได้ง่ายขึ้น ซึ่งช่วยเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันในตลาดของหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานได้อย่างมาก

เดอะแนวคิดของหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน (Collaborative Robots) ถูกนำเสนอครั้งแรกในปี 1996 โดยมีปรัชญาการออกแบบที่ปฏิวัติวงการหุ่นยนต์แบบดั้งเดิม ด้วยการทำให้หุ่นยนต์และมนุษย์สามารถทำงานร่วมกันได้อย่างมีประสิทธิภาพในสายการผลิต แนวทางการทำงานร่วมกันนี้ไม่เพียงแต่ใช้ประโยชน์จากประสิทธิภาพและความแม่นยำของหุ่นยนต์เท่านั้น แต่ยังผสานรวมสติปัญญาและความยืดหยุ่นของมนุษย์ ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความคล่องตัวในการดำเนินงาน เมื่อเทียบกับหุ่นยนต์อุตสาหกรรมทั่วไป หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานมีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างออกไป ทำให้พวกมันกลายเป็นหมวดหมู่ย่อยที่สำคัญในสาขาหุ่นยนต์ โครงสร้างทางกายภาพและระบบควบคุมของพวกมันได้รับการปรับปรุงแก้ไขอย่างมาก หุ่นยนต์อุตสาหกรรมแบบดั้งเดิม เช่น หุ่นยนต์แขนกลที่แสดงในรูปที่ 1 นั้น ส่วนใหญ่ใช้ในงานจัดเรียงสินค้าบนพาเลท การจัดการวัสดุ การเชื่อม และการตัดด้วยเลเซอร์ แม้ว่าหุ่นยนต์เหล่านี้จะมีคุณสมบัติที่แข็งแกร่ง มีเสถียรภาพทางโครงสร้าง และรับน้ำหนักได้ดี แต่ก็มีข้อจำกัดเช่นกัน ได้แก่ ขนาดและมวลที่ค่อนข้างใหญ่ แรงเฉื่อยในการเคลื่อนที่สูง การออกแบบที่เทอะทะและมีความยืดหยุ่นต่ำ และไม่สามารถทำงานประกอบที่ต้องการความคล่องตัวสูงได้ นอกจากนี้ แรงเฉื่อยมหาศาลและการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงของพวกมันยังก่อให้เกิดความเสี่ยงด้านความปลอดภัยอย่างมากต่อบุคลากรที่อยู่ในรัศมีปฏิบัติการ จึงจำเป็นต้องปฏิบัติงานภายในพื้นที่ปิดมิดชิด

รูปที่ 1 แขนหุ่นยนต์อุตสาหกรรมแบบดั้งเดิมและหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน

หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานช่วยให้สามารถทำงานร่วมกับมนุษย์ในพื้นที่ส่วนรวมได้พร้อมกัน และอำนวยความสะดวกในการปฏิสัมพันธ์ในระยะใกล้ภายในพื้นที่ทำงานร่วมกัน เมื่อเทียบกับแขนหุ่นยนต์แบบดั้งเดิม หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานโดยทั่วไปรับน้ำหนักได้สูงสุด 20 กิโลกรัมที่ปลายแขน โดยมีระยะการทำงานที่เทียบได้กับระยะการเอื้อมถึงของแขนมนุษย์ โครงสร้างของพวกมันนั้นเรียบง่ายกว่าแขนหุ่นยนต์อุตสาหกรรมทั่วไปที่มีกลไกการส่งกำลังที่ซับซ้อน ในขณะเดียวกันก็ให้การตอบสนองแรงที่ไว ความยืดหยุ่นที่เบา และความสามารถในการรับรู้ที่แข็งแกร่ง คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยให้พวกมันสามารถปรับแรงได้อย่างไดนามิกในระหว่างการปฏิสัมพันธ์กับมนุษย์ ป้องกันความเสียหายรุนแรงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้น หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานจึงสามารถทำงานร่วมกับมนุษย์ได้อย่างปลอดภัยเพื่อทำภารกิจให้สำเร็จโดยไม่จำเป็นต้องมีสิ่งกีดขวางด้านความปลอดภัยแบบดั้งเดิม

หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานมีปฏิสัมพันธ์โดยตรงกับมนุษย์ ดังนั้นความปลอดภัยจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการทำงานร่วมกันระหว่างมนุษย์และหุ่นยนต์ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องควบคุมกำลังการทำงานและแรงบิดในการหมุนอย่างเข้มงวด พร้อมทั้งใช้มาตรการทางเทคนิคต่างๆ เช่น การควบคุมกระแสไฟฟ้า การควบคุมแรงบิด เซ็นเซอร์สัมผัส และการตรวจจับการชน เพื่อป้องกันการบาดเจ็บต่อบุคลากร ระบบควบคุมการขับเคลื่อนอัจฉริยะของหุ่นยนต์ยังต้องการการปรับปรุงเพิ่มเติมเพื่อการจัดการด้านความปลอดภัย โดยต้องควบคุมอย่างราบรื่นและปรับตัวได้ผ่านการคำนวณแบบไดนามิกและการสร้างแบบจำลองโดยใช้ตัวสังเกตการณ์

จากการศึกษาล่าสุด สหพันธ์หุ่นยนต์นานาชาติ (IFR) ชี้ให้เห็นว่าการพัฒนาหุ่นยนต์ในอนาคตจะมีแนวโน้มไปสู่ความเรียบง่าย ใช้งานง่าย ยืดหยุ่น และการทำงานร่วมกันอย่างปลอดภัย หุ่นยนต์อุตสาหกรรมจะค่อยๆ บรรลุระดับการทำงานอัตโนมัติและความฉลาดที่สูงขึ้น การออกแบบที่เป็นมิตรต่อผู้ใช้จะช่วยลดอุปสรรคในการดำเนินงาน ทำให้องค์กรต่างๆ สามารถใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีหุ่นยนต์ได้อย่างง่ายดายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิต ในขณะเดียวกัน การออกแบบที่มีความยืดหยุ่นและสามารถทำงานร่วมกันได้อย่างปลอดภัยจะช่วยให้หุ่นยนต์ปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อมการผลิตที่หลากหลายและซับซ้อนได้ดียิ่งขึ้น อำนวยความสะดวกในการทำงานร่วมกันระหว่างมนุษย์และหุ่นยนต์ และส่งเสริมการพัฒนาการผลิตทางอุตสาหกรรมอย่างชาญฉลาดและมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น

รูปที่ 2: พื้นที่การทำงานของหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน

1.2 ความสำคัญของการวิจัย

ในตลาดหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานในปัจจุบัน หุ่นยนต์เจ็ดองศาอิสระได้รับความนิยมเนื่องจากมีช่วงการทำงานที่กว้างขวางและความยืดหยุ่นสูง หุ่นยนต์เหล่านี้มีองศาอิสระที่ซ้ำซ้อน ทำให้มีศักยภาพมากขึ้นสำหรับการทำงานอัตโนมัติในอุตสาหกรรมและการผลิตอัจฉริยะ แต่ละองศาอิสระเกิดขึ้นผ่านข้อต่อของหุ่นยนต์ ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดประสิทธิภาพของหุ่นยนต์ ผู้ผลิตรายใหญ่ทั้งสี่ราย ได้แก่ FANUC, ABB, Yaskawa และ KUKA ต่างใช้ระบบส่งกำลังที่แตกต่างกันในแขนหุ่นยนต์อุตสาหกรรมแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม โดยพื้นฐานแล้วพวกเขามักใช้เซอร์โวมอเตอร์ร่วมกับเฟืองดอกจอก เฟืองตรง หรือสายพานซิงโครนัสเพื่อส่งกำลังไปยังข้อต่อสำหรับการหมุน วิธีการส่งกำลังเหล่านี้จำกัดขนาดของข้อต่อหุ่นยนต์ แม้ว่าจะสามารถบรรลุความแม่นยำสูงได้ แต่การย่อขนาดยังคงเป็นเรื่องท้าทาย ดังแสดงในรูปที่ 3 หุ่นยนต์อุตสาหกรรมแบบดั้งเดิมต้องใช้ตู้ควบคุมภายนอกที่บรรจุไดรฟ์เซอร์โวมอเตอร์ โดยมีสายไฟจำนวนมากเชื่อมต่อมอเตอร์แต่ละตัวกับตู้ ทำให้จำกัดการใช้งานระบบควบคุมที่ยืดหยุ่น

รูปที่ 3 หุ่นยนต์อุตสาหกรรมแบบดั้งเดิมและตู้ควบคุม

เนื่องจากโครงสร้างข้อต่อแบบดั้งเดิมของแขนหุ่นยนต์อุตสาหกรรมไม่สามารถตอบสนองความต้องการของหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานได้อีกต่อไป ข้อต่อเหล่านี้จึงละทิ้งกลไกการส่งกำลังแบบเดิมและหันมาใช้ปรัชญาการออกแบบใหม่ แนวทางนี้มุ่งเน้นไปที่การสร้างระบบที่มีน้ำหนักเบา แรงดันไฟฟ้าต่ำ และบูรณาการสูง โดยการรวมตัวควบคุม ตัวขับเซอร์โว และมอเตอร์ไว้ภายในข้อต่อเอง พร้อมทั้งการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าพื้นฐานที่อยู่ภายในด้วย มีเพียงอินเทอร์เฟซควบคุมจำนวนน้อยที่สุดเท่านั้นที่แสดงอยู่ภายนอก ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของการเดินสายภายนอกและลดความซับซ้อนทางวิศวกรรม การออกแบบเช่นนี้เรียกว่าข้อต่อแบบบูรณาการ

ด้วยความต้องการและแนวโน้มการพัฒนาในปัจจุบันของข้อต่อหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน การออกแบบข้อต่อหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานแบบบูรณาการที่มีน้ำหนักเบา แรงดันต่ำ มีการบูรณาการสูง และมีประสิทธิภาพสูง จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ข้อต่อแบบบูรณาการดังกล่าวประกอบด้วยส่วนประกอบที่จำเป็นทั้งหมดสำหรับการเคลื่อนไหวของข้อต่อ รวมถึงแอคชูเอเตอร์ ตัวควบคุม ตัวขับ และเซ็นเซอร์ และสามารถทำงานได้อย่างอิสระในฐานะโมดูลแบบสแตนด์อะโลน เมื่อเชื่อมต่อกับตัวควบคุมหลักหรือโมดูลอื่นๆ ผ่านทางบัสพลังงานและควบคุมแบบง่ายๆ การออกแบบที่มีความเชื่อมโยงสูงแต่มีการเชื่อมต่อต่ำนี้จะช่วยเพิ่มความสามารถในการขยายขนาดของหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานได้อย่างมาก โดยการใช้ข้อต่อแบบโมดูลาร์แบบบูรณาการนี้และจับคู่กับแขนหุ่นยนต์และปลายแขนที่มีขนาดเหมาะสม หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานที่ปรับแต่งให้เหมาะสมกับความต้องการต่างๆ สามารถประกอบได้ง่าย

รูปที่ 4 แผนภาพแสดงโครงสร้างของข้อต่อแบบโมดูลาร์

การวิจัยเกี่ยวกับข้อต่อแบบบูรณาการสำหรับหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานและระบบควบคุมเซอร์โวมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความก้าวหน้าของหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน เทคโนโลยีหลักของข้อต่อแบบบูรณาการเหล่านี้ประกอบด้วยส่วนประกอบสำคัญสองส่วน ได้แก่ ตัวลดความเร็วแบบฮาร์มอนิกและระบบขับเคลื่อนและควบคุมมอเตอร์ข้อต่อ พร้อมด้วยอัลกอริธึมควบคุมที่เกี่ยวข้อง บริษัท Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) จำกัด มุ่งเน้นการวิจัยเกี่ยวกับระบบขับเคลื่อนและควบคุมมอเตอร์ข้อต่อสำหรับหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน โดยทำการศึกษาเชิงลึกเกี่ยวกับกลไกการขับเคลื่อนและควบคุมมอเตอร์ข้อต่อ บริษัทกำลังพัฒนาผลิตภัณฑ์มอเตอร์ข้อต่อหุ่นยนต์แบบบูรณาการอัจฉริยะขั้นสูงหลายรุ่น ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมข้อต่อของหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานได้อย่างยืดหยุ่นและเชื่อถือได้มากขึ้น พร้อมทั้งผสานรวมคุณสมบัติที่สำคัญ เช่น การรับรู้ตนเอง การตัดสินใจอย่างชาญฉลาด การทำงานที่คล่องแคล่ว และการควบคุมที่แม่นยำ เพื่อตอบสนองความต้องการของการพัฒนาอุปกรณ์อัจฉริยะ

2. สถานะการวิจัยในปัจจุบันทั้งในประเทศและต่างประเทศ

ในปี 1956 โจ เอนเกลเบอร์เกอร์ นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน และจอร์จ เดโวล นักประดิษฐ์ ได้ก่อตั้งบริษัทหุ่นยนต์ชื่อ ยูนิเมชั่น ซึ่งประสบความสำเร็จในการพัฒนาหุ่นยนต์อุตสาหกรรมตัวแรกของโลก คือ ยูนิเมท ในปี 1959

บริษัท General Motors เป็นบริษัทแรกที่นำหุ่นยนต์มาใช้ในกระบวนการผลิตทางอุตสาหกรรมที่โรงงานในรัฐนิวเจอร์ซีย์ในปี 1961 ในปี 1969 ญี่ปุ่นได้นำหุ่นยนต์จากบริษัท Unimation มาใช้ และต่อมาได้ให้สิทธิ์การใช้งานเทคโนโลยีแก่บริษัท Kawasaki Heavy Industries และบริษัท KUKAI Corporation ในสหราชอาณาจักร เพื่อใช้ในการผลิตหุ่นยนต์ในญี่ปุ่นและสหราชอาณาจักรตามลำดับ ด้วยความก้าวหน้าของอุตสาหกรรมยานยนต์ของญี่ปุ่น จำนวนหุ่นยนต์ที่เข้ามาแทนที่แรงงานมนุษย์ในกระบวนการผลิตจึงเพิ่มมากขึ้น แสดงให้เห็นถึงคุณค่าในทางปฏิบัติอย่างเต็มที่ ด้วยเหตุนี้ ญี่ปุ่นจึงให้ความสำคัญกับการพัฒนาหุ่นยนต์อุตสาหกรรมมากขึ้น เริ่มต้นจากบริษัท Kawasaki Heavy Industries ที่เป็นผู้บุกเบิกในการนำเทคโนโลยีหุ่นยนต์มาใช้ ตามมาด้วยการเกิดขึ้นของบริษัทหุ่นยนต์ที่มีชื่อเสียงระดับโลก เช่น FANUC และ Yaskawa ทำให้ญี่ปุ่นกลายเป็นหนึ่งในประเทศที่เชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีหุ่นยนต์ล้ำสมัยระดับโลก

ในปี 1973 บริษัท KUKA ของเยอรมนีได้ดัดแปลงหุ่นยนต์ Unimate เพื่อสร้างหุ่นยนต์หกองศาอิสระตัวแรก คือ Famulus ซึ่งขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า ในปี 1974 บริษัท ASEA (บริษัทต้นกำเนิดของ ABB) บริษัทผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าทั่วไปของสวีเดน ได้พัฒนาหุ่นยนต์ไฟฟ้าเต็มรูปแบบตัวแรกของโลก คือ IRB 6 ซึ่งควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ ทำให้ความฉลาดของหุ่นยนต์เพิ่มขึ้นอย่างมาก ในปี 1978 บริษัท Unimation ในสหรัฐอเมริกาได้นำหุ่นยนต์อุตสาหกรรม PUMA ไปใช้งานอย่างแพร่หลายในสายการประกอบของ General Motors ซึ่งแสดงให้เห็นถึงประโยชน์และคุณค่าของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม และเป็นการบ่งบอกถึงความสมบูรณ์ของเทคโนโลยีหุ่นยนต์อุตสาหกรรมอย่างเต็มที่ จึงเป็นการวางรากฐานที่มั่นคงสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีในอนาคต

ตลอดระยะเวลากว่าสี่ทศวรรษของการพัฒนาหุ่นยนต์อุตสาหกรรม ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม ด้วยเหตุผลด้านความปลอดภัย หุ่นยนต์มักจะถูกติดตั้งไว้ที่สถานีทำงานเฉพาะและแยกออกจากกันด้วยราวกั้น ทำให้ไม่สามารถทำงานเคียงข้างมนุษย์ในพื้นที่เดียวกันได้ การกำหนดค่าแบบดั้งเดิมนี้จำกัดความร่วมมือระหว่างมนุษย์และหุ่นยนต์ ทำให้ยากที่จะบรรลุการทำงานร่วมกันที่มีประสิทธิภาพอย่างแท้จริง แม้จะมีความพยายามและการสำรวจมากมาย การบรรลุความร่วมมือที่ปลอดภัยระหว่างมนุษย์และหุ่นยนต์ยังคงเป็นความท้าทายสำคัญในสาขาหุ่นยนต์อุตสาหกรรม

จนกระทั่งปี 2005 โครงการสำคัญที่ได้รับทุนสนับสนุนจากสหภาพยุโรปได้ริเริ่มแนวคิดเรื่องหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน โครงการนี้ได้รวบรวมบริษัทหุ่นยนต์อุตสาหกรรมชั้นนำ เช่น ABB, KUKA, Reis, Comau และ Gudel เพื่อร่วมกันพัฒนาหุ่นยนต์ราคาประหยัด ขนาดกะทัดรัด และมีความยืดหยุ่นสูง ซึ่งออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับวิสาหกิจขนาดเล็กและขนาดกลาง โดยมีเป้าหมายเพื่อลดการพึ่งพาการจ้างแรงงานภายนอก โครงการนี้ได้เน้นย้ำถึงศักยภาพของการทำงานร่วมกันระหว่างมนุษย์และหุ่นยนต์อย่างชัดเจน และวางรากฐานที่มั่นคงสำหรับแนวคิดของหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน

หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานในยุคแรกส่วนใหญ่เป็นการดัดแปลงและประยุกต์ใช้หุ่นยนต์อุตสาหกรรมแบบดั้งเดิม โดยไม่ได้เปลี่ยนแปลงปรัชญาการออกแบบหรือโหมดการทำงานพื้นฐาน นับตั้งแต่ก่อตั้งในปี 2548 บริษัท Universal Robots ได้ทุ่มเทให้กับการพัฒนาหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานที่สามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยเคียงข้างคนงาน ในปี 2552 บริษัทได้เปิดตัว UR5 ซึ่งเป็นหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานตัวแรกของโลก ถือเป็นการเริ่มต้นยุคใหม่ ต่อมา Rethink ได้เปิดตัวหุ่นยนต์แขนคู่ Baxter และหุ่นยนต์แขนเดี่ยว Sawyer รุ่นใหม่ ซึ่งค่อยๆ สร้างความมั่นคงให้กับหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานในฐานะสาขาที่ได้รับการยอมรับในวงการหุ่นยนต์อุตสาหกรรม ความก้าวหน้านี้ได้ให้ข้อมูลเชิงลึกและทิศทางใหม่ๆ สำหรับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมและการพัฒนาอัจฉริยะในอนาคต

รูปที่ 5: หุ่นยนต์ UR5 และหุ่นยนต์ Sawyer Baxter

บริษัท Siasun Robot ซึ่งเป็นบริษัทในเครือของสถาบันวิจัยระบบอัตโนมัติเสิ่นหยางแห่งสถาบันวิทยาศาสตร์จีน ได้จัดแสดงหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานแบบยืดหยุ่นเจ็ดแกนเป็นครั้งแรก ซึ่งแสดงถึงระดับเทคโนโลยีขั้นสูงของจีน ในงานนิทรรศการอุตสาหกรรมเมื่อเดือนพฤศจิกายน 2558 นับตั้งแต่นั้นมา หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานรุ่นต่างๆ ที่ผลิตในประเทศจีน เช่น Luoshi และ Aobo ก็ได้รับการยอมรับอย่างค่อยเป็นค่อยไป

ในส่วนของข้อต่อหุ่นยนต์ ความแตกต่างหลักระหว่างข้อต่อของหุ่นยนต์ทำงานร่วมกับมนุษย์กับข้อต่อของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมขนาดใหญ่แบบดั้งเดิมนั้นอยู่ที่ “ความยืดหยุ่น” ความยืดหยุ่นนี้แสดงออกมาในรูปของความแข็งเชิงกลที่ต่ำกว่า แรงเฉื่อยที่ลดลง และความสามารถในการรับรู้แรงบิด ปัจจุบัน ความยืดหยุ่นของข้อต่อที่ใช้ในแขนหุ่นยนต์ทำงานร่วมกับมนุษย์นั้นส่วนใหญ่มาจากการควบคุมตำแหน่งที่แม่นยำและการควบคุมแรงบิด

รูปที่ 6 โครงสร้างทั่วไปของข้อต่อแบบบูรณาการในหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน

ภาพรวมของการวิจัยในปัจจุบันเผยให้เห็นว่า การพัฒนาหุ่นยนต์ของจีนเริ่มต้นช้ากว่าประเทศต่างๆ เช่น สหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่น การวิจัยเกี่ยวกับหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานยังคงล้าหลังผลิตภัณฑ์ระดับนานาชาติที่มีอยู่มาก โดยมีอุปสรรคสำคัญอยู่ที่ตัวลดความเร็วแบบฮาร์มอนิกและระบบควบคุมการขับเคลื่อนมอเตอร์ข้อต่อ หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานในประเทศจีนในปัจจุบันยังมีช่องว่างให้ปรับปรุงอีกมากในด้านความสามารถในการควบคุมข้อต่อ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของความแม่นยำในการควบคุมและการควบคุมอัจฉริยะ นอกจากนี้ แนวโน้มการวิจัยด้านหุ่นยนต์ทั่วโลกบ่งชี้ว่า ความปลอดภัย ความยืดหยุ่น และความฉลาดเป็นคุณลักษณะที่โดดเด่นของการพัฒนาทางเทคโนโลยี ข้อต่อของหุ่นยนต์กำลังพัฒนาไปสู่ระบบควบคุมการขับเคลื่อนแบบบูรณาการสูงและมีความฉลาดมากขึ้น แม้ว่าข้อต่อของหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานจะเปลี่ยนจากการควบคุมแบบรวมศูนย์แบบดั้งเดิมไปสู่สถาปัตยกรรมควบคุมการขับเคลื่อนแบบกระจาย แต่ในปัจจุบันพวกมันยังคงดำเนินการเฉพาะการกระทำที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์เท่านั้น ขาดความสามารถในการรับรู้ด้วยตนเอง การตัดสินใจอย่างชาญฉลาด และการดำเนินการที่คล่องแคล่ว ส่งผลให้ระดับความฉลาดค่อนข้างต่ำ ยังคงมีศักยภาพอย่างมากสำหรับความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับระบบหุ่นยนต์อัจฉริยะ