Roboter utvikler seg til å bli samarbeidsroboter i Industri 4.0

Industriroboter dukket opp på begynnelsen av Industri 3.0-revolusjonen, sammen med datautstyrt styring og automatisering, og har utviklet seg over mange år. Nå har de blitt spesialisert for ulike bransjer og prosesser. Roboter er konstruert for masseproduksjon, og de er vanligvis ensomme og fungerer relativt isolert for bestemte oppgaver. Med fremveksten av Industri 4.0, cyber-fysiske systemer og tingenes Internett (IoT), utviklet noen roboter seg til å bli samarbeidsroboter, som også kalles cobots. Samarbeidsroboter (cobots) samhandler med omgivelsene, for eksempel mennesker og andre roboter, og støtter fleksibel produksjon og massetilpasning (figur 1).

Figur 1: Konvensjonelle industriroboter opererer isolert (venstre) mens samarbeidsroboter (høyre) er utviklet for å samhandle med omgivelsene, som inkluderer mennesker og andre roboter eller maskiner. (Bildekilde: Omron)

Den evolusjonære veien fra robot til samarbeidsrobot har omfattet mange tilpasninger: Samarbeidsroboter opererer forskjellig, de er programmert forskjellig, de har en tendens til å være mindre, enklere og i noen tilfeller mobile, de brukes til forskjellige prosesser sammenlignet med roboter og de må overholde forskjellige sikkerhetsstandarder. Samarbeidsroboter konkurrerer vanligvis ikke med roboter og de erstatter ikke roboter. Samarbeidsroboter utvider mulighetene til å bruke automatiserte prosesser.

Denne artikkelen sporer hvordan roboter har utviklet seg til samarbeidsroboter: Den sammenligner hvordan roboter og samarbeidsroboter opererer forskjellig; gjennomgår de ulike programmeringsmetodene som brukes med samarbeidsroboter; diskuterer bruken av kunstig intelligens (AI), IoT og andre teknologier for å muliggjøre samarbeidsrobotmobilitet og -interaksjon med mennesker; fremstiller i detalj noen av bruksområdene der samarbeidsroboter utmerker seg, for eksempel prosessbehandling, kvalitetskontroll, logistikk/materialtransport og annet; og gjennomgår de utvidede sikkerhetsstandardene for samarbeidsroboter. Fra begynnelse til slutt tegner den et bilde av fremtidige cyber-fysiske operasjoner som slår sammen roboter, samarbeidsroboter og mennesker for å maksimere produktivitet og kvalitet, samtidig som de generelle kostnadene minimeres.

Samarbeidsroboter er konstruert for å ikke bare arbeide med mennesker, men flyttes fra sted til sted (figur 2). Disse egenskapene har viktige konsekvenser for programmering av samarbeidsroboter, hvor og når samarbeidsroboter skal brukes og sikkerhetskrav for samarbeidsroboter.

Figur 2: Samarbeidsroboter kan flyttes fra sted til sted etter behov for bestemte oppgaver. (Bildekilde: Omron)

Opplæring av samarbeidsroboter

Industriroboter programmeres ved å bruke språk som C og C++. Samarbeidsroboter har utviklet seg til å bli «undervist» ved hjelp av ulike verktøy som ikke involverer koding, for eksempel anheng, nettbrettdatamaskiner og til og med manuelt bevege armen til samarbeidsroboten fra punkt til punkt (figur 3). Bruken av forskjellige opplæringsmetoder i stedet for tradisjonell programmering gjør det mulig for samarbeidsroboter å lære nye oppgaver raskere, noe som er viktig når samarbeidsroboten flyttes fra oppgave til oppgave. Tiden det tar å programmere en industriell robot er økonomisk fornuftig siden den brukes i relativt lange perioder i bruksområder med høye produksjonsnivåer. På den annen side må samarbeidsroboter lære nye prosesser raskt for å unngå lengre perioder med dyr nedetid. Maskinoperatører kan lære samarbeidsroboter å gjøre bestemte oppgaver uten å trenge hjelp fra spesialprogrammerere. Oppgaver som ofte blir gjort av plukkroboter, som omfatter visuell inspeksjon av resultater, kan læres til en samarbeidsrobot på noen få minutter.

Figur 3: Samarbeidsroboter kan opplæres ved å bevege armen deres fra posisjon til posisjon. Operatørens høyre hånd er på et kamera med høy oppløsning som samarbeidsroboten kan bruke til å se hvor den er og hva som befinner seg på dette stedet. (Bildekilde: Omron)

AI pluss maskinsyn kan bidra til å forbedre opplæring og funksjonalitet for samarbeidsroboter. Intelligente visjonssystemer i samarbeidsroboter leverer en rekke funksjoner som objektidentifikasjon og posisjonering, strekkode- og totemtolkning, mønstermatching og fargegjenkjenning. Visjonssystemet kan også aktivere håndbevegelser for å veilede samarbeidsroboten fra posisjon til posisjon og lære den en ny prosess. I andre tilfeller kan maskinoperatører raskt og effektivt opplære samarbeidsroboter ved å bruke et flytskjema-basert dra-og-slipp-system på en nettbrettdatamaskin (figur 4).

Figur 4: Intuitiv undervisning/programmering ved hjelp av dra-og-slipp maksimerer produktiviteten og fleksibiliteten til samarbeidsroboter. (Bildekilde: Omron)

I tillegg til å jobbe med mennesker, kan samarbeidsroboter slå seg sammen med autonome mobile roboter (AMR – autonomous mobile robot) for å gå fra oppgave til oppgave (figur 5). AMR-er er spesialiserte samarbeidsroboter som samarbeider med mennesker, samarbeidsroboter, roboter og maskiner, og utfører oppgaver som materialhåndtering med utmerket effektivitet. I likhet med materialhåndtering, er ikke flytting av en samarbeidsrobot fra sted til sted en aktivitet som krever høy ferdighet, noe som gjør den egnet for AMR-implementering. AMR-er navigerer fra sted til sted ved å kombinere integrerte sensorer og databehandling, slik at de kan forstå de umiddelbare omgivelsene sine med trådløse tilkoblinger til sentraliserte databehandlingsressurser og sofistikerte sensornettverk på tvers av et anlegg for å hjelpe AMR-er med å forstå posisjonen til hindringer på en planlagt rute og effektivt navigere rundt faste hindringer som arbeidsstasjoner, stativer og roboter, samt variable hindringer som gaffeltrucker, andre AMR-er og mennesker.

Figur 5: En manipulator-samarbeidsrobot (øverst) kan plukkes opp og flyttes til en ny arbeidsstasjon av en autonom mobil robot (nederst). (Bildekilde: Omron)

Hva er samarbeidsroboter nyttige for?

Samarbeidsrobotenes evne til å samarbeide med AMR-er, mennesker, andre roboter og maskiner åpner opp for nye muligheter for automatisering. Samarbeidsroboter blir brukt for massetilpasning i et bredt utvalg av industrier og prosesser, for eksempel montasjeoperasjoner, dispensering, skrutrekking, maskintilpasning, pallettering, plukkmaskiner, med mer, i et like bredt utvalg av industrier, fra bilindustrien til næringsmiddelindustrien og halvlederproduksjon (figur 6).

Figur 6: Samarbeidsroboter er fleksible og kan brukes for ulike bruksområder. (Bildekilde: Omron)

Utførelsen av gjentatte eller komplekse monteringsoppgaver kan utføres effektivt av samarbeidsroboter som arbeider sammen med mennesker. Hvis den brukes i kombinasjon med en AMR, kan en samarbeidsrobot forbedre implementeringen av kompleks plukkrobotbetjening og levering av materialer til arbeidsstasjoner. Når materialet leveres til siste stopp på linjen, kan en samarbeidsrobot raskt plassere produkter på paller for forsendelse. Ved hjelp av maskinsyn og AI kan samarbeidsroboter inspisere, sortere og plukke opp ferdige deler fra transportbåndet og plassere dem i kartonger. Samarbeidsroboter kan raskt tilpasse oppførselen sin for å imøtekomme nye produkter og sesongvariasjoner.

Samarbeidsroboter kan tilpasses til ulike produksjonsprosesser, deriblant (som tidligere nevnt) maskintilpasning, skrutrekking og dispensering. CNC-maskiner, stempel- og hullpresser, forskjellige skjæremaskiner og stasjoner for injeksjonsstøping er noen av maskinens tilpasningsoppgaver der samarbeidsroboter kan avlaste personell fra gjentatte og potensielt farlige aktiviteter. Samarbeidsroboter for skrutrekking gir presisjon og konsistent dreiemoment, noe som resulterer i høyere kvalitet sammenlignet med manuell montering. Dispensering av ulike materialer som lim, tetningsmiddel, maling og andre lignende produkter kan implementeres av samarbeidsroboter med høy presisjon. Samarbeidsroboter og effektorer er utskiftbare og gjør det mulig for samarbeidsroboter å bevege seg fra oppgave til oppgave etter behov (figur 7).

Figur 7: Samarbeidsrobot-endeeffektorer kan enkelt byttes ut for alle typer oppgaver. Dette gir fleksibilitet til å bytte over til ulike produksjonskrav med minimal nedetid. De to beste endeeffektorene inkluderer et kamera med høy oppløsning for AI-baserte visjonssystemer. (Bildekilde: Omron)

Inspeksjon av ferdige deler eller produkter er et annet område hvor samarbeidsroboter med maskinsyn kan utmerke seg. Hvis delen er kompleks, kan en grundig inspeksjon kreve høyoppløselige bilder fra forskjellige vinkler, noe som krever koordinering av flere stasjonære kameraer. Alternativt kan en samarbeidsrobot med ett enkelt kamera identifisere delen som inspiseres og bevege seg rundt den, og dermed ta alle de nødvendige bildene som trengs for å oppnå en fullstendig visuell inspeksjon.

Utviklende sikkerhet for samarbeidsroboter

Sikkerhetshensyn har utviklet seg side om side med samarbeidsroboter. Sammenlignet med industriroboter, er sikkerhetskravene til samarbeidsroboter mer komplekse. Et team bestående av en samarbeidsrobot og en person kan kombinere de repeterende ytelsesegenskapene til roboter med de individuelle ferdighetene og fleksibiliteten til mennesker. Samarbeidsroboter (og roboter) er dyktige til å utføre oppgaver som krever presisjon, utholdenhet og kraft, mens mennesker er dyktige til å løse upresise situasjoner og variable problemer. Det å kombinere disse komplementære ferdighetssettene byr på utfordringer når det kommer til sikker interaksjon mellom mennesker og samarbeidsroboter.

Sikkerhetsstandarder for industriroboter er vanligvis basert på eksklusjon av operatører fra arbeidsområdet mens roboten er aktiv. Sikkerheten for samarbeidsroboter forutser interaksjon med mennesker. Hastighet, moment og kraftgrenser for samarbeidsroboter er de definerende sikkerhetsstandardene, og de inkluderer en nødstopp i stedet for en beskyttende stopp.

Operatøren starter en nødstopp av en samarbeidsrobot; den stanser all bevegelse av samarbeidsroboten og kutter strømmen til den. En omstart er nødvendig for å gjenopprette etter en nødstopp. En beskyttende stopp oppstår automatisk når en person kommer inn i verneområdet rundt samarbeidsroboten (figur 8). Samarbeidsroboten er fortsatt strømførende under en beskyttende stopp. Under en beskyttende stopp overvåkes bevegelseskoderne til samarbeidsroboten for utilsiktet bevegelse. Hvis en utilsiktet bevegelse detekteres, kuttes strømmen.

Figur 8: Det kartesiske sikkerhetsområdet rundt en samarbeidsrobot (blå boks) kan være rektangulært eller sylindrisk, og det definerer en sperresone. Hvis en person som arbeider ved siden av samarbeidsroboten beveger seg inn i sperresonen, initierer samarbeidsroboten en beskyttende stopp. (Bildekilde: Omron)

Noen samarbeidsroboter er konstruert med to driftshastighetsinnstillinger, en for maksimal ytelse og en for maksimal sikkerhet. I ytelsesinnstillingen forutsettes det at ingen personer vil bevege seg inn i det beskyttede området til samarbeidsroboten, og samarbeidsroboten vil operere med høy hastighet for gi maksimal produktivitet. Hvis en person beveger seg inn i det beskyttede området, går sperreroboten automatisk inn i innstillingen menneske-samarbeidsrobot for å gi maksimal sikkerhet med reduserte hastigheter, moment og krefter.

Det er flere standarder og retningslinjer under utvikling når det gjelder sikkerhet for samarbeidsroboter. ISO sin tekniske standard 15066:2016 og RIA sin tekniske rapport 15.606-2016 beskriver begge de fire samarbeidsteknikkene som brukes for å redusere risikoen for mennesker: Sikkerhetsklassifisert overvåkingsstopp, håndveiledning, hastighet- og separasjonsovervåking og systemer for energi-kraft-begrensning (PFL – power force limiting). TS 15066 er normgivende og beskriver trinnene som kreves for å oppnå samsvar med standarden. TS 15.606 er informativ og tilbyr informasjon og metoder som kan brukes for standard samsvar.

RIA TR R15.806-2018 beskriver en metode for testing av krefter som utøves av et PFL-system. Sensorsystemer kreves for å oppnå standard samsvar knyttet til overvåking av hastighet og separasjon. Sikkerhetstiltak i sperresoner er et krav for PFL-systemer og sikkerhetsklassifiserte overvåkingsstopper.

NS-EN ISO 13855:2010 fastsetter plasseringen av sikringstiltak med hensyn til samarbeidsrobotenes innkommende hastigheter på bestemte deler av menneskekroppen. Den gir en metode for å fastsette minimumsavstander til en faresone fra deteksjons-/sperresonen eller sikringsinnretninger i bevegelse.

Sammendrag

Samarbeid er et kjennetegn for Industri 4.0 og cyber-fysiske systemer, og samarbeidsroboter er sentrale deltakere når det gjelder å legge til rette for høyere nivåer av samarbeid. Samarbeidsroboter fortsetter å utvikle seg slik at de blir enklere, tryggere og mer fleksible å bruke. Fremskritt som gjøres innen læringsverktøy for samarbeidsroboter og AI gjør det mer intuitivt å bruke samarbeidsroboter. Samarbeidsrobotenes grensesnitt mellom menneske og maskin (HMI – human-machine-interface) som er under stadig utvikling fører til økt produktivitet og høyere kvalitet for massetilpasset produksjon. Samarbeidsroboter erstatter ikke roboter; samarbeidsroboter utvider mulighetene for automatisering, og grensen mellom roboter, samarbeidsroboter og mennesker blir stadig mer udefinerte. Etter hvert som samarbeidsroboter blir mer som kolleger og mindre som industriroboter, utvides sikkerhetsstandardene til samarbeidsroboter og blir viktigere og viktigere for å sikre at produktivitetsløftet om samarbeid mellom samarbeidsroboter og mennesker blir realisert på en trygg måte.