Print

Kolaborativní robotika: Dočasná móda, nebo trvalý trend?

-- 14.03.17

Kolaborativní robotika je sousloví skloňované poslední dobou ve všech pádech. Je považována za budoucnost robotiky, články o kolaborativních robotech plní stránky odborných časopisů, výrobci uvádějí na trh další a další kolaborativní roboty. Jak je to však se skutečným nasazením kolaborativních robotů v současnosti a s jejich rozšířením v budoucnosti? Naplní se představa o široké spolupráci člověka a robotu v průmyslové výrobě?

Kolaborativní robotika = bezpečný společný pracovní prostor člověka a robotu

Roboty, tak jak je známe od sedmdesátých let, jsou nebezpečná zařízení, jež mohou způsobit zranění a občas i smrt. Proto podléhá konstrukce a provoz robotického pracoviště, podobně jako u jiných strojních zařízení, státní regulaci a standardům týkajícím se bezpečnosti. V počátcích robotiky se bezpečnost robotického pracoviště zajišťovala podle stejných standardů jako bezpečnost kteréhokoli jiného stroje – naprostým vyloučením člověka z pracovního prostoru robotu. Robot však není jednoúčelové strojní zařízení, a aby bylo možné využít všechny jeho přednosti, je nutné alespoň občas povolit zásah člověka v prostoru, v němž robot operuje. Proto vznikla kolaborativní robotika definovaná standardy bezpečného společného pracovního prostoru, jenž je sdílen člověkem a robotem. V současnosti platný standard ČSN EN ISO 10218 „Požadavky na bezpečnost průmyslových robotů“ z roku 2011 definuje sdílení pracovního prostoru ve čtyřech základních módech:

  1.  safety-rated monitored stop (SRMS)
  2.  hand guiding
  3.  speed and separation monitoring (SSM)
  4.  power and force limiting (PFL)

První dva módy nejsou v podstatě kolaborativní v tom smyslu, v jakém si spolupráci člověka s robotem obvykle představujeme. Sdílený prostor v módu safety-rated monitored stop (SRMS) si můžeme jednoduše představit jako stolek za okénkem v kleci, na který člověk položí objekt určený ke zpracování robotem. Při otevření okénka musí být zajištěno, že se robot zastaví.

Hand guiding také obvykle není provozní kolaborace. Typicky se používá k tomu, aby se robot jednoduše naučil trajektorii při programování úlohy.

Speed and separation monitoring mód (SSM) již nevyžaduje klec, ve které je robot uzavřen. Prostor spolupráce je vytyčen detekčním prostorem čidla a má většinou dvě zóny. Pokud člověk vstoupí do vnější zóny (žluté), robot zpomalí. Nezpomalí ovšem proto, aby rána od něj méně bolela; vnější zóna musí být ještě mimo dosah ramena robotu. Teprve ve vnitřní zóně může dojít k přímému kontaktu člověka s ramenem robotu (včetně objektu, který robot případně nese). Avšak v okamžiku, kdy člověk překročí hranici vnitřní zóny (červené), musí již robot přerušit provoz. Žlutá zóna tedy slouží jen k takovému zpomalení robotu, aby v případě přítomnosti člověka v červené zóně včas a bezpečně zastavil. Podmínky sdílení společného prostoru jsou tedy definovány nastavením externího čidla a všímavého čtenáře již jistě napadlo, že tento mód nevyžaduje instalaci nějakého speciálního kolaborativního robotu. Zpomalit a zastavit umí jakýkoli robot, a pokud to umí s větším zpožděním, nastaví se prostě větší zóny.

Mód power and force limiting (PFL) naproti tomu speciálně konstruovaný kolaborativní robot vyžaduje, neboť podmínky spolupráce zde zajišťuje robot sám. Konstrukci robotů pro mód PFL umožnil výzkum, který vyústil v technickou specifikaci ISO/TS 15066, jež doplňuje standard ČSN EN ISO 10218. Tato specifikace (ve velmi zjednodušeném podání) určuje, jaká síla (či spíše mechanický tlak) a rychlost nárazu ramena robotu způsobí ještě snesitelnou bolest na různých částech těla, a to za různých podmínek – například při nárazu ve volném prostoru (transientní kontakt) nebo při přitlačení na pevnou překážku (kvazi statický kontakt). Kolaborativní robot by měl být konstruován tak, aby tyto limitní hodnoty nepřekročil. To se obvykle zajišťuje rychlostními a momentovými senzory v kloubech robotu. Shrnutí módů SSM a PFL ukazuje tabulka 1.

Úskalí módu PFL

Ze známého vzorečku rovnosti impulzu a hybnosti F.t = m.v lze snadno odvodit, že splnit podmínky specifikace ISO/TS 15066 pro případ běžného nárazu pohybujícího se ramena robotu lze snížením rychlosti pohybu ramena nebo snížením hmotnosti ramena, či spíše povolené nosnosti. Prakticky je třeba snížit obojí, a to na takové hodnoty, že nosnost a operační rychlost kolaborativního robotu je srovnatelná, ne-li menší než stejné parametry lidského operátora. Cílem zavádění robotické práce bylo dosud zvýšení produktivity výroby. Přispívají kolaborativní roboty k tomuto cíli?

A to ještě není všechno

Robot sám o sobě je z hlediska legislativy (směrnice Evropského parlamentu a Rady Evropy 2006/42 /ES) takzvané „neúplné strojní zařízení“, neboť vždy pracuje s dalšími objekty v prostředí a za okolností, které jeho výrobce nemůže znát. Samozřejmě že i v okamžiku, kdy výrobce robot prodává, musí tento robot podmínky ISO/TS 15066 splňovat. Proto má kolaborativní robot elegantní zaoblené tvary, které zajišťují, že se síla ramena při působení na lidské tělo rozloží na větší plochu a nevyvolá tlak překračující povolené hodnoty. Pro bezpečnost strojního zařízení je však směrodatné, aby požadavky ISO/ TS 15066 splňovala celá sestava, v níž robot pracuje. Stačí tedy, aby robot nesl objekt sice s povolenou hmotností, ale hranatý nebo pracoval se špičatým nástrojem. Tím přestává robotická sestava podmínky zmiňované technické specifikace splňovat a robot, jakkoli kolaborativní, musí zpátky do klece.

Jaké aplikace zvolit pro kalaborativní roboty?

Nemá-li kolaborativní robot ani výkonnost lidského operátora, jakou práci mu tedy přidělíme? To je otázka, kterou současný průmysl řeší někdy bizarními způsoby. Kolaborativní roboty jsou v módě a každá pokroková firma hodna tohoto přívlastku jej musí ve svém provozu mít. Občas dochází i k tomu, že zákazníci požadují aplikace, které ve skutečnosti zvyšují investice a snižují produktivitu výroby, jen aby se mohli pochlubit nasazením kolaborativního robotu. Troufám si tvrdit, že většina aplikací, do nichž se současné kolaborativní roboty v módu PFL nasazují, by šla levněji a efektivněji řešit v módu kolaborace SSM, nebo dokonce SRMS.

Je to způsobeno pravděpodobně tím, že současný kolaborativní robot se má k těm budoucím asi jako parovůz Josefa Božka k modernímu automobilu. Spolupráce stroje s člověkem je prostě v začátcích. Někde pokročila více a je na prahu reálného nasazení (například robotické automobily), jinde tak daleko není.

Další vývoj kolaborativní robotiky

V současnosti se vývoj kolaborativní robotiky soustřeďuje především na zvýšení produktivity robotu v mezích platných bezpečnostních standardů v módech SSM i PFL. Zvyšování produktivity v módu Speed and separation monitoring se soustřeďuje na zlepšení koordinace střídání pohybu člověka a robotu v červené zóně. Existuje množství akademických studií i nástrojů v simulátorech robotických pracovišť, které se snaží optimalizovat prostoje člověka i robotu v konkrétní operaci. Tento způsob připomíná nasazení kontrolorů se stopkami v ruce, kteří sledovali výkonnost dělníků v počátcích taylorismu v devatenáctém století. Lepší výsledky přináší koncept dynamických změn zón v návaznosti na krok výrobní operace, který v současné době zkouší například firma Mitsubishi.

Nejsnadnější cesta, jak zvýšit rychlost robotu v konceptu PFL, je opět patrná z rovnice m.v = F.t. Působící sílu lze snížit prodloužením času, tedy „zbrzděním“ ramena v okamžiku doteku. Nejjednodušší je obalit rameno robotu měkkým polštářem, který rozloží působení síly do doby deformace polštáře. Sofistikovanější myšlenkou je použít takzvaný sensitive skin. Ramena robotu jsou vybavena velkoplošným senzorem, nejčastěji na kapacitním principu, který je schopen detekovat přibližování objektu k ramenu robotu a zabrzdit robot tak, aby v okamžiku doteku rychlost již vyhovovala požadavkům ISO/TS 15066. Jde vlastně o vytvoření přídavné žluté zóny jako v konceptu SSM, zóna však „obaluje“ pohybující se robot. Tyto metody jistě fungují, pokud robot nenese břemeno; každý objekt, se kterým bude robot manipulovat, však situaci změní.

Nutná změna konceptu

Současné bezpečnostní standardy vycházejí z vlastností robotů dvacátého století a nepočítají s roboty, které přinese století jednadvacáté. Roboti vybavení umělou inteligencí si s bezpečností spolupráce s člověkem poradí jinak než mechanický manipulátor programovaný jako systém s konečným počtem stavů. Vynoří se však spousta dalších otázek a problémů, jak to dnes naznačuje oblast robotických automobilů.

Naplní se vize sovětského spisovatele?

Jako malý kluk jsem četl v překladu sovětské popularizační brožurky z padesátých let „Továrna budoucnosti“ odstavec, který si pamatuji dodnes: „Továrna budoucnosti nebude vypadat, jak si ji představují autoři vědecko-fantastické literatury, kde se mezi čistými stroji a truhlíky s květinami procházejí inženýři v nažehlených pláštích. Naopak, inženýři netrpělivě čekají, až bude továrnu moci opustit poslední živý člověk, aby tam rozpoutali pravé peklo.“ Takové peklo dnes skutečně vidíme například v robotických lakovnách. A tento trend vylučování člověka z výroby se skutečně naplňuje. Poměr nových robotických aplikací týkajících se výroby samotné a pomocných prací, jako je manipulace s výrobky, se překlápí ve prospěch manipulace. V Evropě je tento poměr ještě 60 : 40, v USA je větší část výroby již možná bez účasti člověka, nově nasazované roboty vykonávají hlavně nevýrobní operace a poměr se obrátil na hodnotu 40 : 60. V ČR jde tento trend zajímavými cestami: Setkali jsme se s poptávkou, kdy výrobní závod modernizovaný před několika lety se zcela automatickými výrobními operacemi a obsluhou strojů operátory uvažuje alespoň o částečné náhradě operátorů manipulačními roboty. Tato náhrada má být provedena s minimální úpravou současné technologie navržené pro obsluhu člověkem.

A co až se skutečně naplní vize Průmyslu 4.0, kdy robotická konstrukční kancelář vytvoří ve virtuálním světě výrobek, farma 3D tiskáren vyrobí díly, roboty jej smontují, auta bez řidiče exportují, všechny tyto technologie budou vzájemně vyjednávat prostřednictvím svých softwarových agentů, svá rozhodnutí ukládat do distribuovaných databází a účtovat ve virtuální měně? K čemu budou kolaborativní roboty ve výrobě, která přítomnost člověka vůbec nepotřebuje?

Netvrdím, že kolaborativní roboty jsou jen dočasná móda, ale nepovažuji je ani za budoucnost průmyslové výroby. Budoucnost kolaborativních robotů je ve službách.

Autor: Otto Havle, FCC průmyslové systémy s.r.o.


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Mezinárodní vodohospodářská výstava VODOVODY-KANALIZACE
2017-05-23 - 2017-05-25
Místo: PVA EXPO PRAHA, Letňany
MEDZINÁRODNÝ STROJÁRSKY VEĽTRH 2017
2017-05-23 - 2017-05-26
Místo: Agrokomplex Nitra
INNOVATION DAY 2017
2017-05-25 - 2017-05-25
Místo: Fabrika hotel, Humpolec
Národné fórum údržby 2017
2017-05-30 - 2017-05-31
Místo: Vysoké Tatry, Štrbské Pleso, Hotel PATRIA
Průmyslové roboty budoucnosti Omron Adept
2017-05-30 - 2017-05-30
Místo: Hotel Avanti, Brno

Katalog

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

Mitsubishi Electric Europe B.V.
Mitsubishi Electric Europe B.V.
Pekařská 621/7
155 00 Praha 5
tel. +420 251 551 470

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 737 489 292

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Ano, proto se je snažíme minimalizovat
Ne, jsou na odpovídající úrovni
Nejsou vysoké, ale rychle rostou

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   Partneři   |   Blogy   |   
Copyright © 2007-2017 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI