Robotar utvecklas till Cobots i industri 4.0

Industrirobotar uppstod i början av industri 3.0, tillsammans med datoriserad styrning och automatisering, och har utvecklats under många år och blivit specialiserade för olika branscher och processer. Robotar är utformade för massproduktion, de är i allmänhet ensamma och arbetar relativt isolerat med specifika uppgifter. Med framväxten av industri 4.0, cyberfysiska system och sakernas internet (IoT) har vissa robotar utvecklats till samarbetsrobotar, så kallade cobots. Cobots interagerar med sin omgivning, inklusive människor och andra robotar, och stöder flexibel tillverkning och massanpassning (figur 1).

Figur 1: Konventionella industrirobotar arbetar isolerat (till vänster), medan cobots (till höger) är utformade för att interagera med sin omgivning, inklusive människor och andra robotar eller maskiner. (Bildkälla: Omron)

Utvecklingen från robot till cobot har inneburit många anpassningar: cobots fungerar annorlunda, de programmeras annorlunda, de tenderar att vara mindre, enklare och i vissa fall mobila, de används för andra processer än robotar och de måste följa andra säkerhetsstandarder. Cobots konkurrerar i allmänhet inte med robotar och ersätter inte robotar, utan utökar möjligheterna att använda automatiserade processer.

Den här artikeln följer utvecklingen från robotar till cobots: den jämför hur robotar och cobots fungerar på olika sätt, går igenom de olika programmeringsmetoder som används för cobots, diskuterar användningen av artificiell intelligens (AI), sakernas internet och annan teknik för att möjliggöra cobots rörlighet och interaktion med människor, beskriver några av de tillämpningar där cobots utmärker sig, t.ex. processavslutning, kvalitetskontroll, logistik/materialtransport m.m., och går igenom de utökade säkerhetsstandarderna för cobots. Genomgående målas en bild av framtida cyberfysikaliska verksamheter där robotar, cobots och människor kombineras för att maximera produktivitet och kvalitet och samtidigt minimera de totala kostnaderna.

Cobots är utformade för att inte bara arbeta med människor utan också för att flyttas från plats till plats (figur 2). Dessa egenskaper har viktiga konsekvenser för programmering av robotar, var och när robotar används och säkerhetskrav för robotar.

Figur 2: Cobots kan flyttas från plats till plats efter behov för specifika uppgifter. (Bildkälla: Omron)

Undervisning i cobots

Industrirobotar programmeras med hjälp av språk som C och C++. Cobots har utvecklats så att de kan "läras ut" med hjälp av olika verktyg utan kod, t.ex. hängsmycken, surfplattor och till och med genom att manuellt flytta cobot-armen från punkt till punkt (figur 3). Genom att använda olika undervisningsmetoder i stället för traditionell programmering kan cobotar lära sig nya uppgifter snabbare, vilket är viktigt när coboten flyttas från uppgift till uppgift. Den tid det tar att programmera en industrirobot är ekonomiskt motiverad eftersom den används under relativt långa perioder i högproduktiva tillämpningar. Å andra sidan måste cobotar lära sig nya processer snabbt för att undvika långa perioder av dyra stillestånd. Maskinoperatörer kan lära cobots specifika uppgifter utan att behöva hjälp av specialiserade programmerare. Uppgifter som att plocka och placera, inklusive visuell inspektion av resultatet, kan läras ut till en cobot på några minuter.

Figur 3: En cobot kan tränas genom att flytta sin arm från en position till en annan. Operatörens högra hand är på en högupplöst kamera som coboten kan använda för att se var den befinner sig och vad som finns på den platsen. (Bildkälla: Omron)

AI och maskinseende kan bidra till att förbättra cobotens inlärning och funktion. Intelligenta cobot-visionssystem erbjuder en rad olika funktioner, t.ex. identifiering och positionering av objekt, tolkning av streckkoder och totem, mönstermatchning och färgigenkänning. Visionssystemet kan också göra det möjligt att med hjälp av handrörelser styra coboten från position till position och lära den en ny process. I andra fall kan maskinoperatörer snabbt och effektivt lära ut cobotar med hjälp av ett drag-och-släpp-följdiagrambaserat system på en surfplatta (figur 4).

Figur 4: Intuitiv drag-och-släpp-undervisning/programmering maximerar cobot-produktiviteten och flexibiliteten. (Bildkälla: Omron)

Förutom att arbeta med människor kan cobots samarbeta med autonoma mobila robotar (AMR) för att förflytta sig från uppgift till uppgift (figur 5). AMR är specialiserade cobots som samarbetar med människor, cobots, robotar och maskiner och som utför uppgifter som materialhantering på ett mycket effektivt sätt. Liksom materialhantering är det inte särskilt kvalificerat att flytta en cobot från plats till plats, vilket gör den lämplig för AMR-implementering. AMR navigerar från plats till plats genom att kombinera sensorer och datorer ombord för att förstå sin närmaste omgivning med trådlösa anslutningar till centraliserade datorresurser och sofistikerade sensornätverk i hela anläggningen för att hjälpa AMR att förstå positionen för hinder på en planerad rutt och effektivt navigera runt fasta hinder, t.ex. arbetsstationer, hyllor och robotar, samt variabla hinder, t.ex. gaffeltruckar, andra AMR och människor.

Figur 5: En cobotmanipulator (överst) kan tas upp och flyttas till en ny arbetsstation av en autonom mobil robot (nederst). (Bildkälla: Omron)

Vad är cobots bra för?

Cobots förmåga att arbeta med AMR, människor, andra robotar och maskiner öppnar nya möjligheter för automatisering. Cobots används för massanpassning i en mängd olika branscher och processer, t.ex. montering, dosering, skruvdragning, maskinskötsel, palletering, plocka och placera med mera, i ett lika stort antal branscher från bilindustrin till livsmedelsbearbetning och halvledartillverkning (figur 6).

Figur 6: Cobots är flexibla och kan användas i olika tillämpningar. (Bildkälla: Omron)

Repetitiva eller komplexa monteringsuppgifter kan utföras effektivt av robotar som arbetar tillsammans med människor. Tillsammans med en AMR kan en cobot förbättra genomförandet av komplexa plockningsoperationer och leveransen av material till arbetsplatserna. När materialet har levererats till slutet av linjen kan en cobot snabbt pallettera produkterna för leverans. Med hjälp av maskinseende och artificiell intelligens kan robotar inspektera, sortera och plocka upp färdiga delar från transportbandet och placera dem i kartonger. Cobots kan snabbt anpassa sitt beteende till nya produkter och säsongsvariationer.

Cobots kan anpassas till olika tillverkningsprocesser, inklusive (som tidigare nämnts) maskinskötsel, skruvning och dosering. CNC-maskiner, stämpel- och stanspressar, olika skärmaskiner och formsprutningsstationer är några av de maskinskötseluppgifter där robotar kan befria människor från repetitiva och potentiellt farliga aktiviteter. Skruvdrivningsrobotar ger precision och jämnt vridmoment, vilket ger högre kvalitet än manuell montering. Cobotar kan med hög precision distribuera olika material, t.ex. lim, tätningar, färger och andra ytbehandlingar. Cobot-ändmekanismerna är utbytbara och gör det möjligt för cobotar att flytta sig från uppgift till uppgift efter behov (figur 7).

Figur 7: Cobots ändmekanismer kan enkelt bytas ut för varje uppgift. Detta ger flexibilitet för att ställa om till olika produktionskrav med minimal stilleståndstid. De två översta ändmekanismerna innehåller en högupplöst kamera för AI-baserade synsystem. (Bildkälla: Omron)

Inspektion av färdiga delar eller produkter är ett annat område där robotar med maskinseende kan utmärka sig. Om delen är komplex kan en grundlig inspektion kräva högupplösta bilder från olika vinklar, vilket kräver samordning av flera stationära kameror. Alternativt kan en cobot med en enda kamera identifiera den del som ska inspekteras och röra sig runt delen i enlighet med detta och ta alla bilder som behövs för en fullständig visuell inspektion.

Utveckling av cobot-säkerhet

Säkerhetsaspekterna har utvecklats tillsammans med cobots. Jämfört med industrirobotar är säkerhetskraven för cobotar mer komplexa. Ett team bestående av en cobot och en person kan kombinera robotarnas förmåga att utföra repetitiva uppgifter med människors individuella färdigheter och flexibilitet. Cobots (och robotar) är duktiga på uppgifter som kräver precision, uthållighet och kraft, medan människor är duktiga på att lösa oklara situationer och varierande problem. Att kombinera dessa kompletterande färdigheter medför utmaningar i fråga om säkra interaktioner mellan människor och robotar.

Säkerhetsstandarder för industrirobotar bygger i allmänhet på att operatörer inte får vistas i arbetsområdet när roboten är aktiv. Cobots säkerhet förutser interaktion med människor. Cobots hastighets-, vridmoment- och kraftgränser är de definierande säkerhetsstandarderna och omfattar ett nödstopp i stället för ett skyddsstopp.

Ett nödstopp av en cobot initieras av operatören och stoppar all cobotrörelse och tar bort strömmen från coboten. Det krävs en omstart för att återhämta sig från ett nödstopp. Ett skyddande stopp sker automatiskt när en person kommer in i det skyddande utrymmet runt coboten (Figur 8). Under ett skyddsstopp är coboten fortfarande strömförsörjd. Under ett skyddande stopp övervakas också cobotens rörelsekodare för oavsiktlig rörelse. Om en oavsiktlig rörelse upptäcks, tas strömmen bort.

Figur 8: Det kartesiska säkerhetsutrymmet runt en cobot (blå ruta) kan vara rektangulärt eller cylindriskt och definierar en uteslutningszon. Om en person som arbetar bredvid coboten kommer in i det förbjudna området, startar coboten ett skyddande stopp. (Bildkälla: Omron)

Vissa cobots är utformade med två hastighetsinställningar, en för maximal prestanda och en för maximal säkerhet. I en prestationsmiljö antas ingen person komma in i cobotens skyddade utrymme och coboten kommer att arbeta med hög hastighet för maximal produktivitet. Om en person kommer in i det skyddade utrymmet går coboten automatiskt över till en inställning människa-cobot för maximal säkerhet med reducerade hastigheter, vridmoment och krafter.

Det finns flera standarder och riktlinjer som håller på att utvecklas när det gäller säkerheten för cobot-tekniken. ISO Technical Standard 15066:2016 och RIA Technical Report 15.606-2016 beskriver båda de fyra samarbetstekniker som används för att minska riskerna för mänsklig personal: säkerhetsklassade monitorstopp, handstyrning, övervakning av hastighet och separation samt system för kraftbegränsning (PFL). TS 15066 är normativ och beskriver de steg som krävs för att uppfylla standarden. TS 15.606 är informativ och ger information och metoder som kan användas för att uppfylla standarden.

RIA TR R15.806-2018 beskriver en metod för att testa krafter som utövas av ett PFL-system. Sensorsystem krävs för att uppfylla standarder för övervakning av hastighet och separation. För PFL-system och säkerhetsklassade monitorstopp är skydd i uteslutningszoner ett krav.

ISO 13855:2010 fastställer placeringen av skyddsåtgärder med avseende på cobotars närmandehastigheter till specifika delar av människokroppen. Den innehåller en metod för att fastställa minimiavstånd till en riskzon från detektions-/exklusionszonen eller aktiverande skyddsanordningar.

Sammanfattning

Samarbete är ett kännetecken för industri 4.0 och cyberfysiska system, och cobots är viktiga deltagare för att driva högre nivåer av samarbete. Cobots fortsätter att utvecklas för att göra dem enklare, säkrare och mer flexibla att använda. Framsteg inom cobot-undervisningsverktyg och AI gör det mer intuitivt att använda cobots. De utvecklade gränssnitten mellan människa och maskin (HMI) i cobots leder till ökad produktivitet och högre kvalitet i massanpassad produktion. Cobots ersätter inte robotar, utan utökar möjligheterna till automatisering, och gränsen mellan robotar, cobots och människor blir alltmer flytande. I takt med att cobots blir mer som kollegor och mindre som industrirobotar, utökas säkerhetsstandarderna för cobots och blir allt viktigare för att se till att produktivitetslöftena från samarbetet mellan cobot och människa förverkligas på ett säkert sätt.