zobacz też: historia robotów cz.2 – pierwsze manipulatory

W trzeciej części (czyli w tym poście, ponieważ artykuł podzieliłem na kilka postów aby nie przerażać rozmiarem, link do wcześniejszej części zamieściłem powyżej) skupię się na ostatnich, nowatorskich dokonaniach branży przemysłowej, mam tu na myśli roboty współpracujące (CoBots, Collaborative Robots) czyli manipulatorów najnowszej generacji będących integralna częścią Industry 4.0.

Czym są CoBoty ?

Roboty współpracujące z j. ang CoBots, Co–Robots lub Collaborative Robots stanowią najnowszą grupę robotów wykorzystywanych w przemyśle. Cechą charakterystyczną tego typu manipulatorów jest możliwość bezpośredniej kolaboracji (czyli pracować z, współpracować) z człowiekiem. Można by rzec, że dopiero CoBoty są urzeczywistnieniem wizji wszystkich dawnych futurologów na temat robotów przyszłości, pomagających pracownikom fabryk w ich codziennych obowiązkach. Tego typu roboty w przeciwieństwie do manipulatorów powszechnie wykorzystywanych w fabrykach nie wymagając specjalnych zabezpieczeń oddzielających ich stanowiska pracy od ludzkich co stanowi ogromny przeskok jakościowy na płaszczyźnie współpracy człowiek maszyna.

Pierwszy CoBot UR5

W 2008 r. firma Universal Robots, założona 3 lata wcześniej przez trójkę pracowników Uniwersytetu Południowej Danii w Odense, wypuszcza pierwszego na świecie robota mogącego współpracować w bezpośrednim kontakcie z człowiekiem. Można bez kontrowersji powiedzieć, że wybudowali pierwszego robota współpracującego. UR5 o wadze 18 kg, zasięgu 850 mm i udźwigu 5 kg, sprzedał się w ciągu 4 lat w liczbie 1600 szt. W roku 2012 dopracowano wcześniejsze rozwiązania inżynierskie w modelu UR10, który z podwójnie zwiększonym udźwigiem i zasięgiem 1300 mm trafił do produkcji seryjnej.

Roboty współpracujące firmy Universal Robots charakteryzują się prostotą konfiguracji, bardzo intuicyjną, opatentowaną metodą graficznego programowania lub poprzez prowadzenie. Prowadzenie to ręczne ułożenie ramienia manipulatora w żądanych pozycjach, a następnie zapisanie konfiguracji położenia wszystkich napędów dla kolejnych etapów pracy. Producent chwali się, że zakup jego robotów szybko się zwraca ponieważ nie wymaga korzystania z usług drogich programistów. Na stronie dostępne jest szkolenie online składające się z 6 modułów. Są to: wprowadzenie, zasada działania, konfiguracja narzędzi, tworzenie programu, komunikacja z urządzeniami zewnętrznymi i bezpieczeństwo – których czas realizacji zajmuje tylko 87min. Po tym czasie „nowy programista” powinien być w stanie skonfigurować manipulator do nowego zadania.

Na koniec warto zwrócić uwagę na oryginalne podejście firmy Universal Robots do pojęcia kolaboracji pomiędzy maszynami. Standardowo wszystkie urządzenia / roboty współpracujące są podpięte do jednej sieci przemysłowej za pomocą, której wymieniają z sobą dane i potwierdzają zakończenie poszczególnych etapów. Przeglądając udostępnione dane na temat wykorzystania tych robotów w zakładach produkcyjnych można dostrzec, że w celu minimalizacji kosztów jak i czasu poświęconego na programowanie manipulatory wykorzystują przyciski, klamki czy zabezpieczenia zaprojektowane dla ludzi. Automatyczne ramię po otrzymaniu tylko jednej informacji (np. jednego bitu wejściowego) z obrabiarki CNC, jest w stanie samodzielnie otworzyć jej drzwi, wymienić obiekt, zamknąć drzwi, a na koniec uruchomić proces obróbczy poprzez standardowy przycisk zamontowany na panelu stacji obróbczej. Czas jak i liczba pracowników, a co za tym idzie również koszt potrzebnych do zaprogramowania takiej współpracy dwóch urządzeń jest nieporównywalnie mniejszy.

Rethink Robotics – roboty współpracujące z twarzą

Kolejna młoda firma założona w 2008 r. w Bostonie, która prześcignęła światowe giganty to Rethink Robotics. Założyciel firmy Rodney Brooks pracował wcześniej przy produkcji autonomicznych odkurzaczy w iRobot, gdzie dostrzegł, że roboty przemysłowe przestały od pewnego czasu ewaluować. Stwierdził on, że skoro roboty, odkurzacze, kosiarki, drony itp. zostały stworzone od zera w przeciągu ostatniej dekady, to i roboty przemysłowe powinny przejść gruntowną rewolucję, aby lepiej dopasować się do współczesnego przemysłu.

W 2012 r. firma zaprezentowała pierwszego dwuramiennego CoBota (robota współpracującego), był to Baxter®. Nadano mu ludzką twarz, zmieniając tym samym pogląd ludzi na to, jak może wyglądać robot przemysłowy. Roboty tej firmy przypominają do pewnego stopnia większe dziecięce zabawki, ważą od 19 kg, dzięki czemu łatwo je przemieszczać i posiadają atrakcyjny design. Cechą charakterystyczną Baxtera oraz Sawyera (mniejszy model z jednym ramieniem) jest monitor umieszczony w miejscu, gdzie powinna znaleźć się twarz w przypadku maszyn humanoidalnych.

Na ekranie na bieżąco wyświetlane są animowane oczy śledzące wykonywane przez ramiona operacje. Na pierwszy rzut oka może wydawać się to całkowicie zbędnym rozwiązaniem, służącym jedynie zwiększeniu atrakcyjności fizycznej urządzenia, co w przemyśle nigdy nie stanowiło istotnej wartości – choć i to się powoli zmienia. Firma jednak doszła do wniosku, że skoro jest to robot współpracujący z człowiekiem, to z powodów psychologicznych ludziom będzie się lepiej przebywało w jego towarzystwie, jeśli będzie po prostu sympatyczny i zachowaniem w pewnym stopniu upodobni się do „kolegi z pracy”. Jest to całkowicie nowe podejście do zagadnienia współpracy ludzi z maszynami. Może w dalekiej przyszłości na imprezy integracyjne dla pracowników firm będą zapraszane również inteligentne urządzenia?

Po co mu oczy?

Sam ekran oczywiście nie służy wyłącznie w celu wyświetlania oczu. W bardzo wygodny i intuicyjny sposób umożliwia zmianę konfiguracji wykonywanego programu. Przy projektowaniu manipulatorów, inżynierowie zwrócili również uwagę na fakt, że czas przekalibrowania maszyny po przesunięciu jej tylko o kilka centymetrów nie powinien zajmować zbyt wiele czasu, a standardowo może wiązać się nawet z napisaniem programu od nowa. Dlatego w każdym ramieniu robota zamontowano niezależną kamerę służącą do wykrywania kluczowych markerów dla jej pracy. Po zmianie położenia Baxtera wystarczy naprowadzić jego ramiona na nowe znaczniki 2D (pozycja początkowa, końcowa, ewentualnie pośrednie) i zatwierdzić wprowadzone zmiany. Nie trzeba w najmniejszym stopniu znać się na programowaniu robotów, dzięki czemu tego typu urządzenie codziennie może wykonywać inne zadania.

Jeśli przewiduje się, że maszyny będą często przeprogramowywane i przemieszczane, to w naturalny sposób pojawia się też problem kolizji. Na tymczasowych stanowiskach eksploatacji tych urządzeń nie chcemy poświęcać zbyt wiele czasu na rozpatrzenie wszystkich niestandardowych sytuacji, które mogą mieć miejsce podczas pracy. Roboty Rethink Robotics oprócz standardowych układów kontrolujących kolizje na podstawie detekcji siły, na bieżąco monitorują swoje środowisko poszukując anomalii za pomocą wcześniej wspomnianych kamer.

Obydwa manipulatory / roboty współpracujące posiadają 7 stopni swobody, dzięki czemu dobrze sprawdzą się w nawet bardzo ciasnych przestrzeniach. Mniejszy z nich Sawyer waży 19 kg , posiada udźwig do 4 kg, zasięg maksymalny 1260 mm i powtarzalność 0.1mm, gwarantowana żywotność to 35.000 h. W przypadku dwuramiennego modelu charakterystyka wygląda trochę gorzej, ponieważ zasięg na każde ramię wynosi tyle samo co wcześniej, przy obniżonym udźwigu do 2.2kg i zwiększonej masie do 75kg. (11)

Czy duże firmy zostały w tyle w dziedzinie współpracujących robotów?

W powyższym artykule opisującym roboty przemysłowe, nie pojawiła się do tej pory jeszcze ani jedna wzmianka o największych graczach na rynku, takich jak ABB, KUKA czy FANUC. Nie oznacza to, że w ich ofertach nie znalazły się żadne produkty, które można by dopasować do kategorii CoBots, jednak moim zdaniem nic, co można by nazwać pionierskim rozwiązaniem. Czy te trzy duże koncerny podzielą losy Nokii, która nie odnalazła się na rynku smartfonów? W dalszej części artykułu omówione zostaną roboty kooperacyjne wspomnianych marek.

ABB YuMi®

Firma ABB w 1974 r. wprowadziła na rynek model IRB 6, który w dużym stopniu nadał impet do rozwoju rynku robotów przemysłowych. Dokładnie 41 lat później, 13 kwietnia 2015 r. na targach w Hanowerze zaprezentowała urządzenie, które ponownie przyśpieszy kierunek tej branży.

YuMi, bo tak nazywa się nowy robot od ABB, to skrót od wyrazów „You” i „Me”, czyli z angielskiego „Ty” i „Ja”, co oznacza współpracownika, którego możemy mieć przy swoim stanowisku. Jest to niewielki, bo ważący jedynie 38 kg, dwuramienny manipulator, zaprojektowany do pracy z drobną elektroniką. Udźwig każdego z ramion wynosi jedynie 0.5 kg, natomiast dokładność ruchu wynosi 0.02 mm, czyli pięciokrotnie lepiej niż u konkurencji. Prędkość przemieszczenia na poszczególnych osiach waha się od 180o/s aż do 400o /s.

Prawdopodobnie i tym razem ABB będzie miało bardzo duży wpływ na rozwój tej gałęzi robotów przemysłowych, ale nie z powodu bardzo przełomowych rozwiązań, a ze względu na gigantyczną akcję marketingową. YuMi reklamowany jest jako pierwszy w historii, dwuramienny rzeczywisty robot kolaboracyjny. Prezentacje dotyczące tego robota można aktualnie spotkać nie tylko na targach branżowych, ale również dniach nauki kierowanych w stronę najmłodszych, co świadczy tylko o ambicjach i rozmachu giganta ABB.

Dzięki bardzo precyzyjnej powtarzalności ruchów jak na tą grupę urządzeń YuMi jako jedyny doskonale nadaje się do wspomagania pracowników w zakładach produkujących urządzenia elektryczne. Od samego początku został zaprojektowany z myślą o składaniu smartfonów, tabletów czy też kontrolowaniu ich jakości. Warto wspomnieć o dwóch systemach, które w znacznym stopniu zwiększają zakres dostępnych zastosowań. Składanie elementów z wykorzystaniem kamery wbudowanej w chwytak co umożliwia wykonywanie korekcji trajektorii ruchu ramienia w czasie rzeczywistym. Robot nie będzie już więcej zatrzymywał pracy gdy poszczególne elementy, które ma z sobą połączyć będą położeniem delikatnie odbiegały od przyjętych wzorców. Drugi system to precyzyjna kontrola docisku dwóch elementów znajdujących się w obu ramionach. Niczym człowiek jest w stanie również w takiej pozycji z odpowiednim „wyczuciem” połączyć elementy za pomocą np. plastikowych złączek wymagających odpowiedniej siły (12).

FANUC CR-35iA

FANUC tym razem nie poszedł śladem pozostałych firm i nie chce robić rewolucji, chce natomiast wykonać drobne ewolucje. Na filmach promocyjnych i materiałach zawierających parametry techniczne robota od razu dostrzeżemy – czym zresztą sam producent się chwali – że firma nie stworzyła niczego nowego. Manipulator CR-35iA to klasyczny robot przemysłowy ubrany w „gumowy kombinezon” i wyposażony w bardziej czułe układy bezpieczeństwa. Pociąga to oczywiście za sobą kilka zalet, jak chociażby największy udźwig w tej kategorii wynoszący 35 kg, sprawdzoną przez lata konstrukcję i dokładność rzędu ±0.08 mm. Niestety tym samym również pewne wady, jak np. masa 990 kg, co w tej kategorii również jest rekordowe.

KUKA LBR iiwa

KUKA LBR iiwa, LBR to skrót od „Leichtbauroboter” (lekki robot przemysłowy), iiwa oznacza „intelligent industrial work assistant”. KUKA wprowadziła na rynek dwa modele robotów współpracujących z 7 stopniami swobody, posiadającymi udźwig 7 i 14 kg oraz zasięgiem kolejno 800 i 820 mm. (14) Robot ten został zaprojektowany do zadań kosmicznych, więc również design posiada bardzo futurystyczny i tak naprawdę wygląd jest tutaj jedyną cechą wyróżniającą tego manipulatora na tle pozostałych. (15)

Iiwa posiada spory zasięg ramienia (800mm i 8220mm), które jest w stosunku do pozostałych wcześniej omawianych robotów współpracujących włożone do bardzo smukłej obudowie bez żadnych wystających zbędnych elementów. Dzięki takiej konstrukcji robot ten znajduje zastosowanie między innymi do skręcania karoserii samochodowych od wnętrza w zakładach produkcyjnych Daimler Mercedes. 7 stopni swobody, 23kg wagi i czuła detekcja kolizji tworzą z niego jedynego w swojej klasie przedstawiciela zdolnego wykonywać zadania wymagających dużej „zwinności” w bardzo wąskich przestrzeniach, do których może on zostać wprowadzony za pomocą choćby FANUCA CR-35iA. 7kg udźwigu lub w większej wersji 14kg spokojnie wystarczy do utrzymania wkrętarki lub innego narzędzie potrzebnego w tego typu zadaniach montażowych.

Podsumowanie

Pomimo iż coraz więcej pracowników fabryk – również w Polsce – ma obawy, czy ich stanowiska nie zostaną zastąpione manipulatorami przemysłowymi, zaczynamy zauważać nowy trend, w którym to roboty mają stawać „ramię” w ramię z pracownikami, a nie ich zastępować. XXI w. zapowiada się jako okres, w którym zaawansowana technologia będzie wspierać (np. roboty współpracujące) nas w każdym zakładzie produkcyjnym, począwszy od dużych fabryk, a skończywszy na małych warsztatach, czyniąc tym samym naszą pracę bardziej ergonomiczną i co bardziej istotne, bezpieczniejszą.

Na koniec luźne podsumowanie tematu współpracy ludzie – roboty

więcej na temat: Automatyzacja przemysłu w Polsce
trochę więcej z historii: Historia automatyzacji – od starożytności po współczesność

Na koniec chciałbym oficjalnie podziękować Jadwidze Woźnik, która to pomogła mi w tym obszernym tekście poradzić sobie z wyzwaniami j. polskiego (czyli wykonała korektę tekstu) i zaprosić Ci do kolejnych artykułów i materiałów edukacyjnych (oraz luźnego bloga).

Odwołania:

10. https://www.universal-robots.com. [Online] [Zacytowano: 16 01 2017.]
11. http://www.rethinkrobotics.com. [Online]
12. http://new.abb.com/. [Online]
13. http://www.fanuc.eu/pt/en/robots/robot-filter-page/collaborative-cr35ia. [Online]
14. https://www.kuka.com/en-de/products/robot-systems/industrial-robots/lbr-iiwa. [Online] [Zacytowano: 16 01 2017.]
15. Kampa dr inż. Adrian. Współpraca pomiędzy człowiekiem i robotem przemysłowym. Utrzymanie Ruchu. 4/2016.