1.1 Contexto da Pesquisa
Com o rápido avanço da ciência e da tecnologia,capacidades inteligentesA manufatura inteligente continua a evoluir, tornando-se uma tendência predominante no desenvolvimento industrial. Por exemplo, dados divulgados pelo Ministério da Indústria da Informação da China mostram que a manufatura inteligente doméstica alcançou um crescimento notável de 11,6% em 2023 — um testemunho dos esforços contínuos e da inovação tecnológica do país nessa área. Além disso, o número de inovações entre as empresas de manufatura inteligente aumentou significativamente, abrangendo setores como a fabricação de equipamentos de ponta, materiais avançados e tecnologias ambientais, refletindo a vitalidade e a profunda transformação do setor. Essa tendência não apenas revolucionou os métodos tradicionais de produção, mas também acelerou a modernização industrial, aumentando tanto a eficiência quanto a qualidade. Cada vez mais, linhas de produção automatizadas e robôs industriais estão substituindo a mão de obra humana.
Com o avanço doera da manufatura inteligenteAs características tecnológicas altamente automatizadas e inteligentes dos robôs industriais alinham-se perfeitamente com as crescentes demandas da indústria manufatureira por alta precisão, facilidade operacional e flexibilidade nos processos de produção. Isso elevou sua importância na manufatura, tornando-os uma força fundamental na transformação e modernização industrial. Robôs colaborativos — dispositivos industriais capazes de realizar colaboração tanto entre máquinas quanto entre humanos e robôs — emergiram como um foco chave na pesquisa em robótica devido ao seu comportamento autônomo e capacidades colaborativas, posicionando-os para desempenhar um papel dominante na robótica industrial do futuro. Na tecnologia de robôs colaborativos, as métricas de desempenho dos servomotores — incluindo velocidade de resposta de torque, precisão de torque, precisão de posicionamento, consumo de energia e estabilidade de temperatura — determinam diretamente a eficiência, estabilidade e precisão de movimento de um robô. Como o núcleo de energia dos robôs, o desempenho dos sistemas servo impacta criticamente a precisão e a confiabilidade do movimento. Notavelmente, os servomotores de junta desempenham um papel fundamental na obtenção da precisão de posicionamento. Um excelente servomotor de junta garante posicionamento preciso e movimento estável durante tarefas complexas, aumentando assim a eficiência operacional e minimizando erros.
O “14º Plano Quinquenal para o Desenvolvimento da Indústria Robótica” enfatiza o avanço da pesquisa em juntas robóticas inteligentes e integradas, sendo essas juntas particularmente adequadas para robôs colaborativos. Seu conceito de design altamente integrado incorpora atuadores, sensores e drivers diretamente na própria junta, transformando cada junta em uma unidade de controle independente. Ao otimizar a estrutura e o layout internos, a arquitetura de controle distribuída reduz significativamente o número de cabos entre os diferentes níveis do sistema, diminuindo os custos de manutenção e aumentando a confiabilidade geral. O design modular também facilita a substituição e a manutenção das juntas, impulsionando substancialmente a competitividade dos robôs colaborativos no mercado.
Oconceito de robôs colaborativosIntroduzido pela primeira vez em 1996, o conceito de robô colaborativo revolucionou a robótica tradicional ao permitir operações coordenadas entre robôs e humanos em linhas de produção. Essa abordagem colaborativa não apenas aproveita a eficiência e a precisão dos robôs, mas também integra a inteligência e a flexibilidade humanas, aprimorando a eficiência e a fluidez operacional. Comparados aos robôs industriais convencionais, os robôs colaborativos exibem características distintas, estabelecendo-se como uma subcategoria significativa dentro do campo da robótica. Tanto suas estruturas físicas quanto seus sistemas de controle sofreram modificações substanciais. Os robôs industriais tradicionais — como as configurações de braço robótico ilustradas na Figura 1 — são usados principalmente em aplicações de paletização, movimentação de materiais, soldagem e corte a laser. Embora esses robôs apresentem alta rigidez, estabilidade estrutural e grande capacidade de carga, eles também apresentam limitações: tamanho e massa relativamente grandes, inércia de movimento significativa, designs volumosos com pouca flexibilidade e incapacidade de executar tarefas de montagem que exigem alta agilidade. Além disso, seu considerável momento de inércia e movimentos em alta velocidade representam riscos de segurança consideráveis para o pessoal dentro de seu raio de operação, exigindo que operem em áreas fechadas.
Figura 1: Braços robóticos industriais tradicionais e robôs colaborativos
Robôs colaborativos permitem a operação simultânea com humanos em espaços compartilhados e facilitam a interação a curta distância em zonas colaborativas. Comparados aos braços robóticos tradicionais, os robôs colaborativos geralmente suportam uma carga máxima de 20 kg em seu efetor final, com um alcance operacional comparável ao de um braço humano. Sua estrutura é mais simples do que a dos braços robóticos industriais convencionais, que apresentam mecanismos de transmissão complexos, oferecendo, ao mesmo tempo, feedback de força sensível, flexibilidade e leveza, além de robustas capacidades de percepção. Essas características permitem que eles ajustem a força dinamicamente durante as interações humanas, prevenindo danos violentos. Consequentemente, os robôs colaborativos podem colaborar com humanos com segurança para concluir tarefas sem a necessidade de barreiras de segurança tradicionais.
Robôs colaborativos realizam operações com contato direto com humanos; portanto, a segurança é um requisito indispensável na colaboração humano-robô. É essencial controlar rigorosamente a potência operacional e o torque rotacional, empregando medidas técnicas como controle de corrente, controle de torque, sensores de contato e detecção de colisões para evitar ferimentos ao pessoal. Os sistemas inteligentes de controle de acionamento de robôs também requerem otimização adicional para a gestão da segurança, permitindo um controle adaptativo e suave por meio de cálculos dinâmicos e modelagem baseada em observadores.
Em um estudo recente, a Federação Internacional de Robótica (IFR) destacou que o desenvolvimento futuro de robôs apresentará tendências voltadas principalmente para a simplicidade, facilidade de uso, flexibilidade e colaboração segura. Os robôs industriais alcançarão progressivamente níveis mais altos de automação e inteligência; seu design intuitivo reduzirá as barreiras operacionais, permitindo que mais empresas aproveitem a tecnologia robótica sem esforço para aumentar a eficiência da produção. Ao mesmo tempo, projetos que priorizam a flexibilidade e a capacidade de colaboração segura permitirão que os robôs se adaptem melhor a ambientes de produção diversos e complexos, facilitando a colaboração entre humanos e robôs e impulsionando ainda mais o desenvolvimento inteligente e eficiente da produção industrial.
Figura 2: Área de trabalho do robô colaborativo
1.2 Significado da Pesquisa
No atual mercado de robótica colaborativa, os robôs com sete graus de liberdade são preferidos por sua ampla gama operacional e flexibilidade. Esses robôs oferecem graus de liberdade redundantes, proporcionando maior potencial para automação industrial e manufatura inteligente. Cada grau de liberdade é obtido por meio de uma junta robótica, que serve como um fator crítico na determinação do desempenho do robô. Os quatro principais fabricantes — FANUC, ABB, Yaskawa e KUKA — empregam sistemas de transmissão distintos em seus braços robóticos industriais tradicionais; no entanto, eles essencialmente utilizam servomotores combinados com engrenagens cônicas, engrenagens cilíndricas ou correias síncronas para transmitir energia às juntas para rotação. Esses métodos de transmissão limitam o tamanho das juntas robóticas. Embora seja possível alcançar alta precisão, a miniaturização continua sendo um desafio. Como mostrado na Figura 3, os robôs industriais tradicionais requerem painéis de controle externos que abrigam os servomotores, com inúmeros fios conectando cada motor ao painel, restringindo assim a implantação flexível dos sistemas de controle.
Figura 3: Robô industrial tradicional e painel de controle
Considerando que as configurações tradicionais de juntas de braços robóticos industriais já não atendem às necessidades de robôs colaborativos, essas juntas abandonaram os mecanismos de transmissão convencionais em favor de uma nova filosofia de projeto. Essa abordagem concentra-se na obtenção de sistemas leves, de baixa tensão e altamente integrados, incorporando o controlador, o servoacionador e o motor na própria junta, com as conexões elétricas subjacentes também implementadas internamente. Apenas um número mínimo de interfaces de controle fica exposto externamente, simplificando a fiação externa e reduzindo a complexidade de engenharia. Tal projeto é denominado junta integrada.
Dadas as atuais necessidades e tendências de desenvolvimento em juntas para robôs colaborativos, o projeto de uma junta integrada leve, de baixa tensão, altamente integrada e de alto desempenho é crucial. Essa junta integrada incorpora todos os componentes essenciais para o movimento articular — incluindo atuadores, controladores, drivers e sensores — e pode funcionar independentemente como um módulo autônomo. Quando conectada ao controlador principal ou a outros módulos por meio de barramentos de energia e controle simples, esse projeto altamente coeso e com baixo acoplamento aumenta significativamente a escalabilidade dos robôs colaborativos. Ao utilizar essa junta modular integrada e combiná-la com braços robóticos e efetores finais de tamanho adequado, robôs colaborativos personalizados para diversas necessidades podem ser facilmente montados.
Figura 4. Diagrama esquemático da junta modular.
A pesquisa sobre juntas integradas para robôs colaborativos e seus sistemas de controle servo é de grande importância para o avanço da robótica colaborativa. As tecnologias essenciais dessas juntas integradas consistem em dois componentes principais: redutores harmônicos e sistemas de controle de acionamento de motores de juntas, juntamente com seus respectivos algoritmos de controle. A Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. concentra sua pesquisa em sistemas de controle de acionamento de motores de juntas para robôs colaborativos, conduzindo estudos aprofundados sobre mecanismos de acionamento e controle de motores de juntas. A empresa está desenvolvendo uma série de produtos de motores de juntas robóticas integrados altamente inteligentes que permitem capacidades de controle mais flexíveis e confiáveis para juntas de robôs colaborativos, incorporando recursos críticos como autopercepção, tomada de decisão inteligente, execução precisa e controle de alta precisão — atendendo, assim, às demandas do desenvolvimento de equipamentos inteligentes.
2. Situação atual da pesquisa em âmbito nacional e internacional
Em 1956, o físico americano Joe Engelberger e o inventor George Devol fundaram uma empresa de robótica chamada Unimation, que desenvolveu com sucesso o primeiro robô industrial do mundo — o Unimate — em 1959.
A General Motors implantou robôs pela primeira vez na produção industrial em sua fábrica em Nova Jersey, em 1961. Em 1969, o Japão introduziu robôs da Unimation, posteriormente licenciando sua tecnologia para a Kawasaki Heavy Industries e para a KUKAI Corporation, sediada no Reino Unido, para operações de fabricação de robôs no Japão e no Reino Unido, respectivamente. Com o avanço da indústria automobilística japonesa, um número crescente de robôs substituiu a mão de obra humana na produção, demonstrando plenamente seu valor prático. Consequentemente, o Japão tem dado cada vez mais ênfase ao desenvolvimento da robótica industrial. Começando com a Kawasaki Heavy Industries como pioneira na adoção da tecnologia robótica, seguida pelo surgimento de empresas de robótica mundialmente renomadas, como a FANUC e a Yaskawa, o Japão se tornou uma das nações que dominam as tecnologias robóticas de ponta em todo o mundo.
Em 1973, a empresa alemã KUKA modificou o robô Unimate para criar o primeiro robô com seis graus de liberdade, o Famulus, movido por um motor elétrico. Em 1974, a ASEA (antecessora da ABB), uma empresa sueca de equipamentos elétricos, desenvolveu o primeiro robô totalmente elétrico do mundo, o IRB 6, controlado por um microprocessador, aprimorando significativamente a inteligência robótica. Em 1978, a empresa americana Unimation implantou amplamente seu robô industrial PUMA nas linhas de montagem da General Motors, demonstrando ainda mais a praticidade e o valor dos robôs industriais e marcando a plena maturidade da tecnologia de robótica industrial, estabelecendo assim uma base sólida para os avanços tecnológicos subsequentes.
Ao longo de mais de quatro décadas de desenvolvimento da robótica industrial, os avanços tecnológicos têm sido contínuos. No entanto, devido a considerações de segurança, os robôs são normalmente fixados em estações de trabalho específicas e isolados por guarda-corpos, o que os impede de trabalhar lado a lado com humanos no mesmo espaço. Essa configuração tradicional limita a colaboração entre humanos e robôs, dificultando a obtenção de operações cooperativas verdadeiramente eficientes. Apesar de inúmeras tentativas e pesquisas, alcançar uma colaboração segura entre humanos e robôs continua sendo um grande desafio no campo da robótica industrial.
Foi somente em 2005 que um importante projeto financiado pela UE introduziu o conceito de robôs colaborativos. A iniciativa reuniu empresas líderes em robótica industrial, como ABB, KUKA, Reis, Comau e Gudel, para desenvolver em conjunto um robô acessível, compacto e flexível, projetado especificamente para pequenas e médias empresas, com o objetivo de reduzir a dependência da terceirização de mão de obra. Este projeto destacou explicitamente o potencial da colaboração entre humanos e robôs, lançando uma base sólida para o conceito de robôs colaborativos.
Os primeiros robôs colaborativos eram, em sua maioria, modificações e aplicações de robôs industriais tradicionais, sem alterar fundamentalmente sua filosofia de design ou modos de operação. Desde sua fundação em 2005, a Universal Robots tem se dedicado ao desenvolvimento de robôs colaborativos capazes de trabalhar com segurança ao lado de trabalhadores humanos. Em 2009, a empresa lançou o UR5 — o primeiro robô colaborativo do mundo — marcando o início dessa era. Posteriormente, a Rethink apresentou o Baxter, com dois braços, e o novo robô Sawyer, com um único braço, estabelecendo gradualmente a robótica colaborativa como uma disciplina reconhecida e aceita dentro da robótica industrial. Esse avanço proporcionou novas perspectivas e direções para a futura automação industrial e desenvolvimento inteligente.
Figura 5: Robô UR5 e robô Sawyer Baxter
A Siasun Robot Company, afiliada ao Instituto de Automação de Shenyang da Academia Chinesa de Ciências, apresentou pela primeira vez um robô colaborativo flexível de sete eixos, representando o nível tecnológico avançado da China, na Exposição Industrial de novembro de 2015. Desde então, diversos modelos de robôs colaborativos nacionais, como o Luoshi e o Aobo, ganharam reconhecimento gradualmente.
Em relação às juntas robóticas, a principal distinção entre as juntas de robôs colaborativos e as de robôs industriais pesados tradicionais reside na sua “flexibilidade”. Essa flexibilidade se manifesta por meio de menor rigidez mecânica, inércia reduzida e capacidade de detectar torque. Atualmente, a flexibilidade articular empregada em braços robóticos colaborativos deriva principalmente do controle preciso de posição e do controle de torque.
Figura 6. Estrutura típica da junta integrada em robôs colaborativos.
Uma visão geral das pesquisas atuais revela que o desenvolvimento da robótica na China começou mais tarde do que em países como os Estados Unidos e o Japão. A pesquisa em robôs colaborativos ainda está significativamente atrasada em relação aos produtos internacionais existentes, com os principais gargalos residindo nos redutores harmônicos e nos sistemas de controle de acionamento de motores de juntas. Os robôs colaborativos nacionais atualmente têm um potencial substancial de melhoria nas capacidades de controle de juntas, particularmente em termos de precisão e controle inteligente. Além disso, as tendências globais de pesquisa em robótica indicam que segurança, flexibilidade e inteligência são características dominantes do avanço tecnológico. As juntas dos robôs estão evoluindo para sistemas de controle de acionamento altamente integrados e maior inteligência. Embora as juntas dos robôs colaborativos tenham passado de arquiteturas tradicionais de controle centralizado para arquiteturas de controle de acionamento distribuído, elas atualmente executam apenas ações acionadas por motores, carecendo de capacidades de percepção autônoma, tomada de decisão inteligente e execução precisa — resultando em níveis relativamente baixos de inteligência. Ainda existe um potencial significativo para o crescimento da demanda por sistemas robóticos inteligentes.
Data de publicação: 22 de maio de 2026
