3/2015 Technologia i Automatyzacja Montażu

28

ROBOTY W BEZPOŚREDNIEJ WSPÓŁPRACY Z CZŁOWIEKIEM

Jacek S. TUTAK

S t r e s z c z e n i eW artykule zwrócono uwagę na oczekiwania przemysłu dotyczące robotyki, która musi stać się bardziej intuicyjna. Robot ma być dla człowieka narzędziem przy produkcji, a nie skomplikowanym systemem ogrodzonym barierą. W artykule skoncen-trowano się w szczególności na możliwościach współpracy człowieka z robotem bez zbędnych zewnętrznych zabezpieczeń. Współpraca ta dotyczyć będzie w szczególności prac realizowanych w przemyśle (Frida, Baxter, Universal Robots), ale rów-nież odwołano się do pozaprzemysłowych aplikacji (m.in. z zastosowaniem robotów ABB). Przedstawiono rozwiązania tego problemu w kontekście robotów o małym i średnim udźwigu. Aspekt zapewnienia bezpieczeństwa osób pracujących z robotami wymuszają stosowną korektę w konstrukcji i algorytmach sterowania. W najbliższej przyszłości dopracowania wymagają rów-nież interfejsy człowieka z maszyną, czujniki, lekkie efektory, efektywne i odporne na niepewność metody fuzji danych, algo-rytmy interpretacji tych danych. Dopracowania wymagają odpowiednie architektury systemów oraz sposoby ich implementacji. Ważnymi aspektami są tu reagowanie w czasie rzeczywistym, odporność na błędy, niezawodność, możliwość radzenia sobie z sytuacjami nieprzewidzianymi, zdolność do samodoskonalenia, to podstawowe zagadnienia rozwoju robotycznych pomocni-ków – narzędzi. Bezpieczeństwo również musi być zapewnione na etapie wydawania poleceń dla robota jedynie przez osobę do tego upoważnioną. Roboty przyszłości to przede wszystkim narzędzia w rękach ludzi, a nie tylko sztuczni ludzie. Dlatego też na podstawie przytoczonych informacji pojawiła się propozycja przygotowania projektu nowego robota.

S ł o w a k l u c z o w erobot, montaż, bezpośrednia współpraca człowieka z robotem

Wstęp

Już w 6. Programie Ramowym stowarzyszenie EU-ROP (European Robotics Technology Platform) zainicjo-wało projekt CARE (Coordination Action for Robotics in Europe), którego podstawowym zadaniem było określe-nie niezbędnych z punktu widzenia przemysłu kierunków badań oraz przyszłości robotyki. Jednym z celów wspo-mnianego programu było sformułowanie strategii badaw-czej SRA (Strategic Research Agenda) dla europejskiego przemysłu robotycznego. W dokumencie tym przedsta-wiono pięć kategorii robotów, które są lub w najbliższym czasie staną się przedmiotem szczególnego zaintere-sowania przemysłu: roboty przemysłowe, profesjonalne roboty usługowe (działające w terenie oraz w środowisku biurowym), domowe roboty usługowe (roboty osobiste, działające w domu), roboty obronne (związane z szeroko pojętymi: obroną, bezpieczeństwem oraz prowadzeniem akcji ratunkowych) oraz roboty kosmiczne (roboty dzia-łające na orbitach oraz powierzchniach planet). EUROP przewiduje, mając na uwadze oczekiwania rynku, grupy robotów jako rokujące szczególne nadzieje na osiągnię-cie sukcesu komercyjnego: • współpracownicy robotników, których podstawo-

wym zadaniem byłaby pomoc ludziom pracującym w fabrykach. Pomoc ta dotyczyłaby wszelkich prac fizycznych. Roboty funkcjonowałyby bezpośrednio przy człowieku, a nie tak jak do tej pory oddzielałaby ich bariera ochronna,

• asystenci profesjonalnych usługodawców, których podstawowym zadaniem jest pomoc w odciążeniu człowieka w różnych czynnościach poza linią monta-żową, m.in. w służbie zdrowia i opiece nad osobami starszymi, w obowiązkach domowych, w budownic-twie, w transporcie [1].

Aktualny stan zagadnienia

W przeglądzie tym skoncentrowano się w szczegól-ności na możliwościach współpracy człowieka z robotem bez zbędnych zabezpieczeń w postaci barier oddziela-jących. Współpraca ta dotyczyć będzie w szczególności prac realizowanych w przemyśle, ale również odwołano się do pozaprzemysłowych aplikacji.

Wychodząc naprzeciw tym oczekiwaniom, stworze-nia współpracowników robotników, dr Bjorn Matthias z ABB zaprezentował ideę montażu z zastosowaniem dwuramiennego robota Frida. Według ABB głównym przeznaczeniem robota będzie automatyzacja proce-sów produkcji w branży elektronicznej. Robot jest lekki i kompaktowy, dzięki czemu może go unieść jedna oso-ba, korzystając z uchwytu umieszczonego na górze korpusu. Dla zapewnienia bezpieczeństwa, oprócz roz-wiązań opracowanych na poziomie sterowania, zastoso-wano napędy o ograniczonej mocy i miękkie okładziny całej jednostki mechanicznej. FRIDA posiada wspomnia-ne 2 ramiona o 7-osiowej strukturze kinematycznej każ-de. Wewnątrz torsu umieszczony jest system sterowania oparty na kontrolerze ABB IRC5. W swoim wyposażeniu

TiAM_3_2015_szary.indd 28 2015-09-14 14:24:29

Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2015

29

posiada chwytaki sterowane serwonapędami. Obecnie firma rozważa możliwość wdrożenia robota do produkcji, analizując opinie potencjalnych klientów [2].

Robot Baxter powstał w laboratoriach Boston i jest oparty na technologii Rethink Robotics. Jedną z najważ-niejszych zalet Baxtera jest zdolność do adaptowania się do zmiennych warunków produkcyjnych i stosowna na nie reakcja. Umożliwia to system kamer, czujników i oprogramowanie, umożliwiające detekcję obiektu, do-branie siły oraz realizację zadania zgodnie z wytycznymi. Kolejną zaletą, o której warto wspomnieć, jest możliwość poddania robota procesowi szkolenia takiego samego jak innych pracowników. Opanowanie nowych czynności zaj-muje mu niecałe 30 min. Do podstawowych parametrów zaliczymy: udźwig 2,3 [kg] (większa dostępna w ograni-czonych przestrzeniach pracy), zasięg 1,04 [m], pręd-kość maksymalna od 0,6 [m/s] z nominalnym ładunkiem do 1 [m/s] bez ładunku, podstawa regulowana w zakresie 1,78–1,9 [m], waga bez podstawy 75 [kg], możliwa praca w temperaturze 0–40 [°C], klasa IP50, gwarancja 1 rok pracy lub 2100 [godz.] (w rozszerzonej wersji 3 lata pra-cy lub 6300 [godz.]), cena 70000 [zł] [3].

Kolejnym przykładem są rozwiązania firmy Univer-sal Robots oferującej innowacyjne 6-osiowe ramiona robotyczne UR5 i UR10, o udźwigu odpowiednio 5 [kg] i 10 [kg]. Roboty można z łatwością przemieszczać, a dzięki ich lekkiej konstrukcji nie jest potrzebna solid-na baza. Możliwość pracy w otoczeniu człowieka stała się realna m.in. przez umieszczenie w każdym z ramion robota czujnika siły. Gdy tylko ramię robota zetknie się z pracownikiem i zadziała na niego siłą wynosząca co najmniej 150 N, ramię automatycznie przestanie dzia-łać. Dodatkowo intuicyjne oprogramowanie nie wymaga obsługi przez wykwalifikowanego programistę robotów. Sterownik napędów umieszczono bezpośrednio na ra-mieniu robota, ograniczając okablowanie i wymagane chłodzenie kontrolera. Do podstawowych parametrów ramienia robota zaliczymy: udźwig 5 [kg] dla UR5 oraz 10 [kg] dla UR10, zasięg 0,85 [m] dla UR5 oraz 1,3 [m]

dla UR10, prędkość maksymalna stawu 180 [°/sek.], a narzędzia 1 [m/s] dla UR5 oraz prędkość maksymal-na stawu 120–180 [°/sek.], a narzędzia 1 [m/s] dla UR5, powtarzalność +/-0,1 [mm], waga 18,4 [kg] dla UR5 oraz 28,9 [kg] dla UR10, możliwa praca w temperaturze 0–50 [°C], klasa IP54, trwałość eksploatacyjna 35000 [godz.], cena UR5 120000 [zł], zaś UR10 200000 [zł] [4] (rys. 1). W przypadku drugiej części przeglądu, dotyczące-go asystentów profesjonalnych usługodawców, należy wspomnieć chociażby o całej gamie robotów użytkowych czy humanoidalnych (robot Asimo [5], Renus-1 [6] czy Robin Heart [7]). Warto również przytoczyć rozwiązanie, jakie zastosowano w projekcie Reharob [8], w którym to zastosowano dwa roboty typowo przemysłowe firmy ABB do rehabilitacji kończyny górnej. Celem projektu Reharob było wykorzystanie istniejących robotów przemysłowych, czujników siły, analizatorów ruchu, urządzeń EMG do stworzenia terapii odpowiedniej do indywidualnych po-trzeb pacjenta. Wybrano roboty IRB140 i IRB1400, które zostały umieszczone jeden nad drugim. Tego typu usta-wienie umożliwiło realizowanie wielu ćwiczeń niedostęp-nych przy innym ustawieniu robotów. Połączenie robotów z ręką odbywa się przez specjalnie zaprojektowane orte-zy. Fotel pacjentów jest regulowany. Istnieje możliwość przeprowadzania ćwiczeń prawej lub lewej kończyny, w pozycji leżącej lub siedzącej. Rehabilitant, wykonu-jąc pierwsze wzorcowe ćwiczenie, kończynę pacjenta umieszcza w ortezach (chwytakach) robotów, narzuca jednocześnie trajektorię do zapamiętania przez robota. W kolejnych seriach, ćwiczenia te są już realizowane bez pomocy rehabilitanta.

Założenia projektu robota

Na podstawie zgromadzonych informacji przedstawio-nych w poprzednim podpunkcie oraz oczekiwań poten-cjalnych klientów przygotowywany jest projekt robota do bezpośredniej współpracy z operatorem.

Rys. 1. Współpracownicy robotników – Frida [12], Baxter [14] czy UR10 [15]Fig. 1. Associates of workers – Frida [12], Baxter [14], UR10 [15]

TiAM_3_2015_szary.indd 29 2015-09-14 14:24:29

3/2015 Technologia i Automatyzacja Montażu

30

Robot będzie posiadał 4–6 stopni swobody w zależ-ności od zapotrzebowania. Mając na uwadze wymaga-nia stawiane przyszłemu urządzeniu, m.in. dokładność, bezpieczeństwo i wysoką niezawodność przyszłej pracy, rozważane jest zastosowanie produktów słowackiej firmy SPINEA. Proponowane zestawy DriveSpin (DS) posiada-ją serwosilnik, przekładnię cykloidalną oraz czujniki. Do napędu każdego z modułów możliwe jest zastosowanie: • DS – 110 (nominalny moment wyjściowy 100 [Nm]

i moment przyśpieszania / hamowania o wartości 244 [Nm]),

• DS – 70 (nominalny moment wyjściowy 50 [Nm] i moment przyśpieszania / hamowania o wartości 100 [Nm]),

• DS – 50 (nominalny moment wyjściowy 18 [Nm] i moment przyśpieszania / hamowania o wartości 36 [Nm]) [9].

W każdym z napędów znajduje się przetwornik tem-peratury PTC 11-K13 oraz resolwer RE15-1-A14 (2-bie-gunowy). Zespoły napędowe są równocześnie elemen-tami nośnymi kolejnych podzespołów ramienia robota. W skład robota wchodzi również sterownik TGP UNI z oprogramowaniem Tg Motion. Ponadto przygotowane zostanie własne oprogramowanie dostosowane do wy-magań oraz oczekiwań przyszłych użytkowników. Opro-gramowanie to umożliwia sterowanie wszystkimi napę-dami przy użyciu odpowiednich rejestrów. Za pomocą zespołów napędowych wraz z przetwornikami i odpo-wiednim oprogramowaniem możliwe stanie się prowa-dzenie precyzyjnego i bezpiecznego montażu.

Aspekt bezpieczeństwa stanowi priorytetowy fragment aktualnie realizowanego tematu. Przy przygotowywaniu opisywanego zagadnienia uwzględniono m.in. przykła-dowe normy bezpieczeństwa stosowane w systemach zrobotyzowanych (PN-EN 292-1:2000, PN-EN 292-2:2000, PN-EN 614-1:1999, PN-EN 954-1:2001, PN-EN 1050:1999). Prezentowany artykuł stanowi pierwszą część cyklu artykułów poświęconych temu zagadnieniu. Dlatego też szczegółowe informacje na temat koncepcji zabezpieczeń zostaną przedstawione w kolejnych czę-ściach opisywanej pracy.

Planowane prace aplikacyjne dotyczyć będą możliwo-ści zastosowania robota w pracach montażowych (m.in. układów elektronicznych) oraz w aplikacjach pozaprze-mysłowych (m.in. rehabilitacji niedowładnej ręki). Szcze-gółowe informacje na temat przygotowywanego projektu zostaną przedstawione w kolejnym artykule.

Podsumowanie

Pojawienie się na rynku opisywanych w artykule współpracowników robotników było odpowiedzią na ogromne zapotrzebowanie małych i średnich przedsię-biorstw, na roboty o niewielkich, elastycznych i lekkich ramionach. Jak się okazało, ówczesna oferta dla wspo-

mnianych firm była niedostępna, za droga bądź po prostu nie miały one na nią wystarczająco miejsca. W przypadku tych rozwiązań zbędne stało się doposażenie stanowiska w bariery ochronne, ponieważ roboty stają się pomocni-kami, chronią ludzi przed uszkodzeniami ciała lub wyrę-czają ich w monotonnych i niebezpiecznych dla zdrowia czynnościach. Prezentowane rozwiązania zapewniają udźwig do 10 [kg] (UR10). Omawiany sektor gospodarki bardzo szybko się rozwija i z roku na rok cieszy się coraz większym zainteresowaniem. Na tym etapie pojawia się pytanie, czy równie dużym zainteresowaniem nie cieszy-łyby się analogiczne rozwiązania robotów o większym udźwigu? Zapewne tak, a ewentualne wątpliwości co do bezpieczeństwa operatora niech rozwieje chociażby opi-sywany przykład Reharob. Zastosowane w tym projekcie typowe roboty przemysłowe IRB140 i IRB1400 nie stano-wiły żadnej przeszkody przy rehabilitacji osób z uszko-dzeniami neurologicznymi, w przypadku których należy zachować szczególną ostrożność.

Opisywany w artykule problem jest bardzo ważny i bardzo przyszłościowy. Świadczyć o tym może chociaż-by wypowiedź Stephana Bartshera z wydziału innowacji i rozwoju grupy BMW. Podkreśla on, że obecnie 95% pro-dukcji podwozia samochodów jest zrobotyzowane, a pro-ces wykończenia karoserii zautomatyzowany w zakresie 85%. Tymczasem udział robotyki w montażu końcowym wynosi jedynie 5%. Wspomniane 5% zdecydowanie musi ulec zmianie, a przyczyni się do tego rozwiązanie zagadnień związanych chociażby z bezpieczeństwem i trudnościami przy reorganizacji produkcji oraz znaczny-mi wymaganiami co do potrzebnej przestrzeni.

W artykule przybliżony został przygotowywany projekt nowego robota. Aspekt zapewnienia bezpieczeństwa osób pracujących z robotem wymusza stosowną korek-tę w konstrukcji i algorytmach sterowania. W najbliższej przyszłości dopracowania wymagają również interfejsy człowieka z maszyną, czujniki, lekkie efektory, efektywne i odporne na niepewność metody fuzji danych, algorytmy interpretacji tych danych. Dopracowania wymagają odpo-wiednie architektury systemów oraz sposoby ich imple-mentacji. Ważnymi aspektami są tu reagowanie w czasie rzeczywistym, odporność na błędy, niezawodność, moż-liwość radzenia sobie z sytuacjami nieprzewidzianymi, zdolność do samodoskonalenia, to podstawowe zagad-nienia rozwoju robotycznych pomocników – narzędzi. Bezpieczeństwo również musi być zapewnione na etapie wydawania poleceń dla robota jedynie przez osobę do tego upoważnioną. Stąd konieczność zastosowania bio-metrycznej identyfikacji użytkownika.

Kolejny raz należy podkreślić, jak ważny i rozwojowy jest omawiany temat. Tym razem odwołajmy się do ko-lejnego 7. Programu Ramowego, w którym m.in. nacisk kładziono na badania do rozszerzenia zdolności umysło-wych robotów. Tematyka idealnie wpisująca się w opisy-waną robotykę naszej najbliższej przyszłości, w której to promowani będą „asystenci – roboty” pracowników.

TiAM_3_2015_szary.indd 30 2015-09-14 14:24:29

Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2015

31

LITERATURA

1. Zieliński C. 2010. „Quo vadis robotyko?”. Pomiary Automatyka Robotyka (5) : 5–15.

1. EURON. European Robotics Network, Network of Excellence, Information Society Technologies Priori-ty. Research Roadmap 4.1. 2008.

2. Frida dostęp online (2014-09-03) singularityhub.com3. Baxter dostęp online (2014-09-03) www.rethinkrobo-

tics.com4. Universal Robots (dokumentacja techniczna) dostęp

online (2014-09-03) www.universal-robots.dk5. Asimo. Technical Information. 2007. Honda Motor

Co. Ltd. 6. Bratek A., W. J. Klimasara, M. Pachuta, Z. Pilat, M.

Wlazło. 2007. RENUS-1 system mechatroniczny do wspomagania rehabilitacji ruchowej osób po udarach

mózgu lub schorzeniach ortopedycznych. W Roboty medyczne 1, 168–174. M Studio w Zabrzu.

7. Nawrat Z. 2007. Roboty medyczne 1. Zabrze: M Studio.

8. Fazekas G., M.Horvath, T. Troznai, A. Toth. 2007.„Robot-mediated upper limb physiotherapy for pa-tients with spastic hemiplaresis: a preliminary study” Journal of Rehabilitation Medicine (39) : 580–582.

9. Prospekty firmy Spinea (Presov Słowacja I/2009).

____________________Dr inż. Jacek S. Tutak – Politechnika Rzeszowska, Wy-dział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Mechaniki Stosowanej i Robotyki, tel. 17 8651814, e-mail: tutak_j@prz.edu.pl.

ROBOTS IN CLOSE COLLABORATION WITH PEOPLE

A b s t r a c tThe article takes notice to the industry expectations about the robotics. Robotics needs to become more intuitive. The robot should be direct tool for human. In most cases, it is separated by barriers. The article presents possibilities of human coopera-tion with the robot without undue external security. This cooperation will concern in particular the industry work (Frida, Baxter, Universal Robots) and the non-industrial applications (Reharob with ABB robots). The safety of people working with robots should be taken into account in the design and control algorithms. In the near future changes also require man-machine inter-faces, sensors and motors. Another important aspects are respond in real time, fault tolerance, reliability, the ability to cope with unpredictable situations or the ability to self-improvement. Security must also be ensured at the stage of issuing commands to the robot only by an authorized person. In future robot will be a tool in the worker’s hands, not just artificial people. On the basis of the information provided, there is a proposal to prepare a new robot project.

K e y w o r d srobot, assembly, direct interaction between man and robot

TiAM_3_2015_szary.indd 31 2015-09-14 14:24:29