Robotokból kobotok az Ipar 4.0-ban

Az ipari robotok az ipar 3.0 hajnalán jelentek meg a számítógépes vezérléssel és automatizálással együtt, és sok éven át korszerűsödtek a különböző iparágakra és folyamatokra történő specializálódás során. A robotokat tömegtermelésre tervezték, és általában egyedül, viszonylag elszigetelten végzik meghatározott feladataikat. Az Ipar 4.0, a kiber-fizikai rendszerek és a dolgok internete (IoT) megjelenésével egyes robotok továbbfejlődtek együttműködő robotokká, úgynevezett kobotokká. A kobotok interaktívak a környezetükkel, beleértve az embereket és más robotokat, és segítségükkel rugalmas gyártás és a tömeges testreszabhatóság valósítható meg (1. ábra).

1. ábra: A hagyományos ipari robotok elszigetelten működnek (balról), míg a kobotokat (jobbról) úgy tervezték, hogy kölcsönhatásba kerülnek a környezetükkel, beleértve az embereket és más robotokat vagy gépeket (kép: Omron)

A robotoktól a kobotokig vezető fejlődési út során számos adaptálódás történ: a kobotok másképp működnek, másképp programozzák őket, általában kisebbek, egyszerűbbek és bizonyos esetekben mobilisak. A robotokhoz képest más folyamatokhoz használják őket, és más biztonsági előírásoknak kell megfelelniük. A kobotok általában nem a robotok versenytársai, és nem is helyettesítik azokat, hanem arra szolgálnak, hogy segítségükkel a folyamatok automatizálhatósága kibővíthető legyen.

Ez a cikk a robotoknak kobotokká való fejlődését tekinti át: összehasonlítja a robotok és a kobotok eltérő működését, áttekinti a kobotoknál használt különböző programozási módszereket, tárgyalja a mesterséges intelligencia (AI), a tárgyak internete és más technológiák használatát a kobotok mobilitásának és az emberekkel való közös munkának a lehetővé tétele érdekében, részletezi azokat az alkalmazásokat, amelyekben a kobotok kiemelkedő teljesítményt nyújtanak (például a folyamatok befejező műveletei, a minőségellenőrzés, a logisztika/anyagszállítás és egyebek) és végül áttekinti a kobotokra vonatkozó kibővített biztonsági szabványokat. Ennek során, a jövőbe tekintve képet fest a robotokat, a kobotokat és az embereket egyesítő jövőbeli kiber-fizikai műveletekről a termelékenység és a minőség maximalizálása érdekében, a minimumon tartva ugyanakkor az összköltségeket.

A kobotokat nem csupán az emberekkel való közös munkára tervezték, hanem úgy, hogy helyről helyre lehessen őket mozgatni (2. ábra). Ezen tulajdonságuk igen fontos a kobotok programozására, használatuk helyére és idejére, valamint a rájuk vonatkozó biztonsági követelményekre nézve.

2. ábra: A robotok szükség szerint helyről helyre mozgathatók az egyes feladatok elvégzéséhez (kép: Omron)

A kobotok betanítása

Az ipari robotokat programnyelveken programozzák, mint például a C és a C++. Fejlődésük során a kobotokat viszont úgy alakították ki, hogy programkód nélküli különböző eszközökkel, például kézi vezérlőkkel (teach pendant), táblagépekkel, sőt a robotkar kézzel történő mozgatásával is „taníthatók” (3. ábra). A hagyományos programozás helyett a különböző tanítási módszerek alkalmazásával a kobotok gyorsabban képesek megtanulni az új feladatokat, ami fontos, amikor a kobotot elmozdítják az egyik helyről egy másikra, egy másik feladat végzése érdekében. Az ipari robotok programozásának időigényessége gazdaságilag ésszerű, mivel a robotokat viszonylag hosszú ideig, és általában tömegtermelésű alkalmazásokban használják. Másrészről, a kobotoknak gyorsan meg kell tanulniuk az új folyamatokat a hosszabb, költséges állásidők elkerülése érdekében. Az operátorok programozásra specializálódott szakemberek segítsége nélkül is megtaníthatják a kobotokat bizonyos feladatokra. Az olyan feladatok, mint a pick-and-place, beleértve az eredmények vizuális ellenőrzését is percek alatt megtaníthatók egy kobotnak.

3. ábra: A kobot betanítható úgy, hogy karját egyik pozícióból a másikba mozgatják. Az operátor jobb keze egy nagy felbontású kamerán van, amely arra szolgál, hogy a kobot lássa, hol van, és mi van az adott helyen (kép: Omron)

A mesterséges intelligencia és a gépi látás segíthet a kobotok betanításának és működésének javításában. A kobotok számára kifejlesztett intelligens látórendszerek számos képességet biztosítanak, mint például tárgyak azonosítása és pozicionálása, vonalkód- és totemértelmezés valamint minta- és színfelismerés. A látórendszer lehetővé teszi azt is, hogy kézmozdulatokkal irányítsák a kobotot egyik pozícióból a másikba, és így tanítsanak meg neki egy új folyamatot. Más esetekben az operátorok gyorsan és hatékonyan betaníthatják a kobotokat egy táblagépes, drag-and-drop folyamatábrán alapuló rendszer segítségével (4. ábra).

4. ábra: Az intuitív drag-and-drop betanítás/programozás maximalizálja a kobot termelékenységét és rugalmasságát (kép: Omron)

Az emberekkel való kollaboráció mellett a kobotok autonóm mobil robotokkal (AMR) is együttműködhetnek, amelyek képesek áthelyezni őket egyik feladatról egy másikra (5. ábra). Az AMR-ek speciális kobotok, amelyek emberekkel, kobotokkal, robotokkal és gépekkel működnek együtt, és olyan feladatokat végeznek kiváló hatékonysággal, mint például az anyagmozgatás. Az anyagmozgatáshoz hasonlóan a kobotok egyik helyről másikra történő mozgatásához sem kell magas szintű képesítés, ami alkalmassá teszi ezt AMR kobotok általi megvalósításra. Az AMR-ek úgy navigálnak el egyik helyről a másikra, hogy a közvetlen környezetük értelmezésére szolgáló fedélzeti érzékelőket és számítástechnikai képességeiket kombinálják a központosított számítástechnikai erőforrásokhoz való vezeték nélküli kapcsolattal és az adott létesítmény egész területén lévő kifinomult érzékelőhálózatokkal, amelyek segítségével az AMR-ek képesek értelmezni a tervezett útvonalon lévő akadályok helyzetét, és hatékonyan navigálni tudnak a helyhez kötött akadályok (például munkaállomások, állványok és robotok), valamint a helyváltoztató akadályok (például targoncák, más AMR-ek és emberek) között.

5. ábra: Egy autonóm mobil robot (lent) képes felvenni és egy új munkaállomásra áthelyezni egy manipulátoros kobotot (fent) (kép: Omron)

Mire jók a kobotok?

A kobotok azon képessége, hogy együtt tudnak dolgozni AMR-ekkel, emberekkel, más robotokkal és gépekkel új lehetőségeket nyit az automatizálás előtt. A kobotokat a tömeges testreszabásban alkalmazzák az iparágak és folyamatok széles skáláján, például összeszerelési műveleteknél, adagolásnál, csavarozásnál, gépkezelésnél, raklapozásnál, pick and place-nél stb., az autóipartól az élelmiszer-feldolgozáson át a félvezetőgyártásig más ugyanilyen széleskörű iparágakon belül (6. ábra).

6. ábra: A kobotok rugalmasak és különböző alkalmazásokban használhatók (kép: Omron)

Az ismétlődő vagy összetett összeszerelési feladatok elvégzése hatékonyan végezhető az emberek mellett dolgozó kollaboratív robotok segítségével. Ha a kobotot AMR-rel párosítják, akkor ez javíthatja az összetett komissiózási műveletek végrehajtását és az anyagok munkaterületre történő szállítását. Miután az anyagot kiszállította a gyártósor utolsó munkaállomásához, a kobot gyorsan raklapra tudja rakni a termékeket, előkészítve azokat a szállításhoz. A gépi látás és a mesterséges intelligencia segítségével a kobotok képesek ellenőrizni, kiválogatni és felvenni a kész alkatrészeket a szállítószalagról majd kartondobozokba helyezni őket. A kobotok gyorsan hozzá tudják igazítani viselkedésüket az új termékekhez és alkalmazkodni tudnak az időszakos változásokhoz.

A kobotok különböző gyártási folyamatokhoz adaptálhatók, beleértve (mint korábban említettük) a gépkezelést, a csavarozást és az adagolást. A CNC-gépek, a stancoló- és lyukasztóprések, a különböző vágógépek és a fröccsöntő állomások működtetése és kezelése olyan gépkezelési feladatok, ahol a kobotok felmenthetik az embereket az ismétlődő és potenciálisan veszélyes tevékenységek végzése alól. A csavarozó kobotok pontosságot és következetes meghúzási nyomatékokat biztosítanak, ami minőségileg jobb, mint ha az összeszerelést kézzel végzik. A különböző anyagok, például ragasztók, tömítőanyagok, festékek és egyéb felületkezelő anyagok adagolása nagy pontossággal valósítható meg kobotok segítségével. A rájuk szerelt effektorok cserélhetők, és ennek a tulajdonságuknak köszönhetően a kobotok szükség szerint mozgathatók egyik feladatról a másikra (7. ábra).

7. ábra: A kobotokra szerelt effektorok bármely feladathoz könnyen cserélhetők. Ennek köszönhetően rugalmasan adaptálhatók a különböző termelési követelményekhez minimális állásidővel. A két felső effektor tartalmaz egy nagy felbontású kamerát is a mesterséges intelligencia alapú látórendszerekhez (kép: Omron)

A kész alkatrészek vagy termékek ellenőrzése egy másik olyan terület, ahol a gépi látással rendelkező kobotok kiemelkedő hatékonysággal alkalmazhatók. Összetett alkatrészek esetén az alapos vizsgálathoz különböző szögekből készített nagy felbontású képekre lehet szükség, ami miatt több helyhez kötött kamerát kell egymással koordinálni. Alternatív megoldásként egy egyetlen kamerával rendelkező kobot be tudja azonosítani az ellenőrizni szükséges alkatrészt, és megfelelően körbemozogva azt rögzíteni tudja a teljes vizuális ellenőrzéshez szükséges összes képet.

A kobotokra vonatkozó korszerűsödő munkabiztonság

A munkabiztonsági megfontolások fejlődése együtt járt a kobotok korszerűsödésével. Az ipari robotokhoz képest a kobotokra vonatkozó munkabiztonsági követelmények összetettebbek. Egy kobot és egy ember alkotta csapat egyesítheti a robotok ismétlődő teljesítményt nyújtó képességeit az emberek egyéni képességeivel és rugalmasságával. A kobotok (és robotok) olyan feladatokra alkalmasak kiválóan, amelyek pontosságot, kitartást és erőt igényelnek, míg az emberek a definiálatlan szituációk és változó problémák megoldására képesek. Ezen egymást kiegészítő készségek kombinálása kihívásokkal jár az emberek és a kobotok közötti biztonságos interakció megvalósításakor.

Az ipari robotokra vonatkozó biztonsági szabványok általában azon alapulnak, hogy a robot működése alatt kizárható az operátor jelenléte a munkaterületen belülről. A kobotokra vonatkozó munkabiztonságnál viszont azonben figyelembe kell venni azt, hogy az emberekkel való interakcióra sor kerül. A biztonsági szabványok a kobot sebesség-, nyomaték- és erő-határértékeire épülnek, és vészleállást definiálnak valamint munkabiztonsági célú megállást.

A kobot vészleállítását a kezelő kezdeményezi: ez leállítja a kobot minden mozgását, és megszakítja a kobot áramellátását. A vészleállásból való visszatéréshez újraindításra van szükség. A munkabiztonsági megállás automatikusan bekövetkezik, ha egy személy belép a kobot körüli védett térbe (8. ábra). Munkabiztonsági megállás közben a kobot továbbra is áram alatt van. Továbbá munkabiztonsági megállás során a rendszer figyeli a kobot forgójeladóit bármely nem szándékos mozgás észlelése érdekében. Ha nem szándékos mozgást észlel, azonnal megszakítja a tápellátást.

8. ábra: A kobothoz viszonyított Descartes-koordináta rendszerben meghatározott biztonsági tér (kék négyzet) lehet téglalap vagy henger alakú, definiálva ezzel egy kizárási zónát. Ha a kobot mellett dolgozó személy belép a kizárási zónába, a kobot beindítja a munkabiztonsági megállást (kép: Omron)

A kobotok némelyikét úgy tervezik, hogy kettő üzemi sebességgel működhessenek. Az egyik a maximális teljesítményt, a másik a maximális biztonságot szolgálja. A legjobb teljesítménynyújtásra beállított sebességen a feltételezés szerint senki sem lép be a kobot védett terébe, és a kobot a maximális termelékenység érdekében nagy sebességgel működik. Ha viszont egy ember a védett térbe kerül, a maximális biztonság érdekében a kobot automatikusan átkapcsol az ember-kobot beállításra, és csökkentett sebességgel, nyomatékkal és erőkkel működik tovább.

A kobotokra vonatkozó munkabiztonságot illetően számos szabvány és iránymutatás van kialakulóban. Az ISO 15066:2016 műszaki szabvány és a RIA 15.606-2016 műszaki jelentés egyaránt leírja a kollaboratív működésre vonatkozó azt a négy módszert, amelyeket az emberi dolgozókat érintő veszélyek csökkentése érdekében alkalmaznak: a biztonsági besorolású figyelőszervek által kezdeményezett leállításokat, a kézi irányítást, a sebesség és a testkontaktus nélküli állapot figyelését valamint az erőhatás-korlátozó (PFL) rendszereket. A TS 15066 normatív jellegű és a szabványnak való megfeleléshez szükséges lépéseket részletezi. A TS 15.606 tájékoztató jellegű és a szabványnak való megfeleléshez használható információkat és módszereket tartalmazza.

Az RIA TR R15.806-2018 leír egy módszert a PFL-rendszerek által kifejtett erők vizsgálatára. A sebesség és a testkontaktus nélküli állapot figyelésére vonatkozó szabványoknak való megfeleléshez érzékelőrendszerekre van szükség. A PFL-rendszerek és biztonsági besorolású figyelőszervek által kezdeményezett leállítások esetében a kizárási zónákban való megvalósított védelem a követelmény.

Az ISO 13855:2010 definiálja, hová kell elhelyezni a védőelemeket a kobotoknak az emberi test egyes részeihez való közeledési sebessége tekintetében. Módszertant biztosít a veszélyzónától való minimális távolságok meghatározására az észlelési/kizárási zónától, illetve a védőberendezések működésbe lépésére vonatkozólag.

Összegzés

Az Ipar 4.0 és a kiber-fizikai rendszerek egyik jellemzője a kollaboratív működés, és a kobotok kulcsszerepet játszanak a magasabb szintű együttműködés előmozdításában. A kobotok folyamatosan fejlődnek, hogy használatuk egyszerűbbé, biztonságosabbá és rugalmasabbá váljon. A kobotok betanító eszközeinek korszerűsödése és a mesterséges intelligencia fejlődése intuitívabbá teszi a kobotok használatát. A kobotok fejlődő ember-gép-interfészei (HMI) a termelékenység növekedéséhez és a tömeggyártási folyamatok minőségesebb testreszabásához vezetnek. A kobotok nem lépnek a robotok helyébe, hanem bővítik az automatizálási lehetőségeket, és a robotok, a kobotok és az emberek közötti határvonal egyre inkább képlékennyé válik. Ahogy a kobotok egyre inkább kezdenek az emberek kollégáivá válni és egyre inkább eltávolodnak a hagyományos ipari roboti szereptől, ez a kobotok működésére vonatkozó biztonsági szabványok folyamatos bővülésével jár, amelyek egyre fontosabbá válnak annak biztosítása érdekében, hogy a kobotok és az emberek közötti együttműködése által biztosított termelékenység-növekedés biztonságosan megvalósuljon.