Hvis der er uklarheder i denne artikel, bedes du se den originale engelske version.

Robotter udvikler sig til Cobots i Industri 4.0

Af Jeff Shepard

Bidraget af DigiKeys nordamerikanske redaktører

Industrielle robotter opstod ved begyndelsen af Industri 3.0 sammen med computerstyring og automatisering og har udviklet sig gennem mange år og er blevet specialiseret til forskellige industrier og processer. Robotter er designet til masseproduktion; de er generelt ensomme og arbejder relativt isoleret på specifikke opgaver. Med fremkomsten af Industri 4.0, cyberfysiske systemer og tingenes internet (IoT) har nogle robotter udviklet sig til kollaborative robotter, kaldet cobots. Cobots interagerer med deres omgivelser, herunder mennesker og andre robotter, og understøtter fleksibel fremstilling og massetilpasning (figur 1).

Diagram over konventionelle industrielle robotter (til venstre) og cobots (til højre)Figur 1: Konventionelle industrielle robotter arbejder isoleret (til venstre), mens cobots (til højre) er designet til at interagere med deres omgivelser, herunder mennesker og andre robotter eller maskiner. (Billedkilde: Omron)

Udviklingsvejen fra robot til cobot har omfattet adskillige tilpasninger: Cobots fungerer anderledes, de programmeres anderledes, de er ofte mindre, enklere og i nogle tilfælde mobile, de anvendes til andre processer end robotter, og de skal overholde andre sikkerhedsstandarder. Cobots konkurrerer generelt ikke med robotter eller erstatter robotter; cobots udvider mulighederne for at anvende automatiserede processer.

Denne artikel følger udviklingen af robotter til cobots: Den sammenligner, hvordan robotter og cobots fungerer forskelligt og gennemgår de forskellige programmeringsmetoder, der anvendes til cobots. Den diskuterer brugen af kunstig intelligens (AI), IoT og andre teknologier til at muliggøre cobots mobilitet og interaktion med mennesker og beskriver nogle af de applikationer, hvor cobots udmærker sig, som f.eks. færdigbehandling af processer, kvalitetskontrol, logistik/materieltransport og andre. Yderligere gennemgår den de udvidede sikkerhedsstandarder for cobots. Gennemgående tegner den et billede af fremtidens cyberfysiske operationer, hvor robotter, cobots og mennesker kombineres for at maksimere produktivitet og kvalitet og samtidig minimere de samlede omkostninger.

Cobots er designet til ikke kun at arbejde sammen med mennesker, men også til at blive flyttet fra sted til sted (figur 2). Disse egenskaber har vigtige konsekvenser for cobot-programmering, hvor og hvornår cobots anvendes, og cobot-sikkerhedskrav.

Billede af cobots kan flyttes fra sted til stedFigur 2: Cobots kan flyttes fra sted til sted efter behov til specifikke opgaver. (Billedkilde: Omron)

Undervisning i cobots

Industrielle robotter programmeres ved hjælp af sprog som C og C++. Cobots har udviklet sig til at kunne "undervises" ved hjælp af forskellige værktøjer uden kode, f.eks. ved hjælp af vedhæng, tablet-computere og endda ved manuelt at flytte cobot-armen fra punkt til punkt (figur 3). Ved at anvende forskellige undervisningsmetoder i stedet for traditionel programmering kan cobots lære nye opgaver hurtigere, hvilket er vigtigt, når cobot'en flyttes fra opgave til opgave. Den tid, det tager at programmere en industriel robot, er økonomisk fornuftig, da den bruges i relativt lange perioder i højproduktionsapplikationer. På den anden side skal cobots lære nye processer hurtigt for at undgå lange perioder med dyre nedetider. Maskinoperatører kan lære cobots specifikke opgaver uden at have brug for hjælp fra specialiserede programmører. Opgaver som f.eks. pick-and-place, herunder visuel inspektion af resultaterne, kan læres til en cobot i løbet af få minutter.

Billedet af cobot kan trænes ved at flytte armen fra position til positionFigur 3: En cobot kan trænes ved at bevæge armen fra position til position. Operatørens højre hånd er på et kamera med høj opløsning, som cobotten kan bruge til at se, hvor den befinder sig, og hvad der er på det pågældende sted. (Billedkilde: Omron)

AI plus maskinsyn kan bidrage til at forbedre cobot-indlæring og -funktion. Intelligente cobot visionssystemer giver en række funktioner såsom identifikation og positionering af objekter, stregkode- og totemfortolkning, mønstermatchning og farvegenkendelse. Visionsystemet kan også gøre det muligt at styre cobot'en fra position til position med håndbevægelser og lære den en ny proces. I andre tilfælde kan maskinoperatører hurtigt og effektivt undervise cobots ved hjælp af et drag-and-drop flowchart-baseret system på en tablet-computer (figur 4).

Billede af intuitiv drag-and-drop-undervisning/programmeringFigur 4: Intuitiv drag-and-drop undervisning/programmering maksimerer cobot-produktiviteten og fleksibiliteten. (Billedkilde: Omron)

Ud over at arbejde sammen med mennesker kan cobots arbejde sammen med AMR'er (Autonomous Mobile Robots) for at bevæge sig fra opgave til opgave (figur 5). AMR'er er specialiserede cobots, der samarbejder med mennesker, cobots, robotter og maskiner og udfører opgaver som f.eks. materialehåndtering med fremragende effektivitet. Ligesom materialehåndtering er det at flytte en cobot fra sted til sted ikke en aktivitet, der kræver høj faglig kompetence, hvilket gør den velegnet til AMR-implementering. AMR'er navigerer fra sted til sted ved at kombinere indbyggede sensorer og computere til at forstå deres umiddelbare omgivelser med trådløse forbindelser til centraliserede computer ressourcer og avancerede sensornetværk i hele anlægget for at hjælpe AMR'erne med at forstå placeringen af forhindringer på en planlagt rute og effektivt navigere rundt om faste forhindringer såsom arbejdsstationer, reoler og robotter samt variable forhindringer såsom gaffeltrucks, andre AMR'er og mennesker.

Billede af manipulator-cobot på toppen af en autonom mobil robotFigur 5: En cobot-manipulator (øverst) kan tages op og flyttes til en ny arbejdsstation af en autonom mobil robot (nederst). (Billedkilde: Omron)

Hvad er cobots gode til?

Cobotters evne til at arbejde sammen med AMR'er, mennesker, andre robotter og maskiner åbner nye muligheder for automatisering. Cobots anvendes til massetilpasning i en lang række industrier og processer som f.eks. samling, dispensering, skruetræning, maskinbetjening, palletering, pick and place m.m. i et lige så bredt udvalg af industrier fra bilindustrien til fødevareforarbejdning og halvlederproduktion (figur 6).

Billedet af cobots er fleksibelt og kan bruges til forskellige applikationerFigur 6: Cobots er fleksible og kan anvendes til forskellige formål. (Billedkilde: Omron)

Udførelse af repetitive eller komplekse samleopgaver kan udføres effektivt af cobots, der arbejder sammen med mennesker. Sammen med en AMR kan en cobot forbedre gennemførelsen af komplekse plukoperationer og leveringen af materialer til arbejdsstederne. Når materialet er leveret til enden af linjen, kan en cobot hurtigt palleterer produkterne til forsendelse. Ved hjælp af maskinsyn og AI kan cobots inspicere, sortere og samle færdige dele op fra transportbåndet og placere dem i kartoner. Cobots kan hurtigt tilpasse deres adfærd for at imødekomme nye produkter og sæsonmæssige variationer.

Cobots kan tilpasses til forskellige fremstillingsprocesser, herunder (som tidligere nævnt) maskinbetjening, skruetræning og dosering. CNC-maskiner, stempel- og stansemaskiner, forskellige skæremaskiner og stationer til sprøjtestøbning er blandt de maskinbetjeningsopgaver, hvor cobots kan aflaste mennesker fra gentagne og potentielt farlige aktiviteter. Cobots til skruetræning giver præcision og et ensartet moment, hvilket giver en højere kvalitet end manuel samling. Dispensering af forskellige materialer som lim, tætninger, maling og andre overfladebehandlinger kan udføres af cobots med høj præcision. Cobot-endeeffektorer er udskiftelige og gør det muligt for cobots at bevæge sig fra opgave til opgave efter behov (figur 7).

Billede af cobot endeeffektorer kan nemt skiftes til enhver opgaveFigur 7: Cobot-endeeffektorer kan nemt skiftes til enhver opgave. Dette giver fleksibilitet til at skifte til forskellige produktionskrav med minimal nedetid. De to øverste endeffektorer omfatter et kamera med høj opløsning til AI-baserede visionssystemer. (Billedkilde: Omron)

Inspektion af færdige dele eller produkter er et andet område, hvor cobots med maskinsyn kan udmærke sig. Hvis emnet er komplekst, kan en grundig inspektion kræve billeder i høj opløsning fra forskellige vinkler, hvilket kræver koordinering af flere stationære kameraer. Alternativt kan en cobot med et enkelt kamera identificere den del, der skal inspiceres, og bevæge sig rundt om delen i overensstemmelse hermed og optage alle de nødvendige billeder til en komplet visuel inspektion.

Udvikling af cobot-sikkerhed

Sikkerhedshensynene har udviklet sig sammen med cobots. Sammenlignet med industrirobotter er sikkerhedskravene til cobot-robotter mere komplekse. Et team bestående af en cobot og en person kan kombinere robotternes gentagne ydeevne med menneskers individuelle færdigheder og fleksibilitet. Cobots (og robotter) er dygtige til opgaver, der kræver præcision, udholdenhed og kraft, mens mennesker er dygtige til at løse upræcise situationer og variable problemer. Kombinationen af disse komplementære færdigheder giver udfordringer i forbindelse med sikker interaktion mellem mennesker og cobots.

Sikkerhedsstandarder for industrirobotter er generelt baseret på, at operatører ikke må være i arbejdsområdet, mens robotten er aktiv. Cobot-sikkerhed forudser interaktion med mennesker. Cobot-hastigheds-, drejningsmoment- og kraftgrænser er de definerende sikkerhedsstandarder og omfatter et nødstop i modsætning til et beskyttelsesstop.

Et nødstop af en cobot er operatør-initieret; det stopper alle cobotbevægelser og fjerner strømmen fra cobotten. En genstart er nødvendig for at komme tilbage fra et nødstop. Der sker automatisk et beskyttelsesstop, når en person træder ind i det beskyttende rum omkring cobotten (Figur 8). Under et beskyttelsesstop er cobotten stadig strømforsynet. Under et beskyttelsesstop overvåges cobot-bevægelseskoderne også for utilsigtede bevægelser. Hvis der registreres en utilsigtet bevægelse, afbrydes strømmen.

Billede af det kartesiske sikkerhedsrum omkring en cobotFigur 8: Det kartesiske sikkerhedsrum omkring en cobot (blå kasse) kan være rektangulært eller cylindrisk og definerer en udelukkelseszone. Hvis en person, der arbejder ved siden af cobotten, kommer ind i udelukkelseszonen, starter cobotten et beskyttelsesstop. (Billedkilde: Omron)

Nogle cobots er designet med to hastighedsindstillinger, en for maksimal ydeevne og en for maksimal sikkerhed. I præstationssituationen antages det, at ingen personer vil komme ind i cobot'ens beskyttede rum, og cobotten vil fungere med høj hastighed for at opnå maksimal produktivitet. Hvis en person kommer ind i det beskyttede rum, går cobotten automatisk over i en menneskeskabt cobot-indstilling for maksimal sikkerhed med reducerede hastigheder, drejningsmomenter og kræfter.

Der er flere standarder og retningslinjer under udvikling vedrørende cobot-sikkerhed. ISO Technical Standard 15066:2016 og RIA Technical Report 15.606-2016 beskriver begge de fire samarbejdsteknikker, der anvendes til at reducere risici for menneskelige arbejdstagere: Sikkerhedsvurderede monitorstop, håndstyring, hastigheds- og separationsovervågning og PFL-systemer (power force limiting). TS 15066 er normativ og beskriver de trin, der kræves for at overholde standarden. TS 15.606 er informativ og indeholder oplysninger og metoder, der kan bruges til at overholde standarden.

RIA TR R15.806-2018 beskriver en metode til prøvning af kræfter, der udøves af et PFL-system. Sensorsystemer er nødvendige for at overholde standarderne for overvågning af hastighed og adskillelse. For PFL-systemer og sikkerhedsklassificerede monitorstop er sikring i udelukkelseszoner et krav.

ISO 13855:2010 fastlægger placeringen af sikkerhedsforanstaltninger med hensyn til cobotters tilnærmelseshastigheder til specifikke dele af menneskekroppen. Den indeholder en metode til bestemmelse af minimumsafstande til en farezone fra detektions-/udelukkelseszonen eller aktiverende sikkerhedsanordninger.

Sammenfatning

Samarbejde er et kendetegn for Industri Cobots fortsætter med at udvikle sig for at gøre dem nemmere, sikrere og mere fleksible at bruge. Fremskridt inden for cobot-læringsværktøjer og AI gør det mere intuitivt at bruge cobots. De udviklende HMI'er (Human-Machine-Interfaces) i cobots fører til øget produktivitet og højere kvalitet af massetilpasset produktion. Cobots erstatter ikke robotter; cobots udvider mulighederne for automatisering, og grænsen mellem robotter, cobots og mennesker bliver mere og mere flydende. Efterhånden som cobots bliver mere som kolleger og mindre som industrielle robotter, udvides cobot-sikkerhedsstandarderne og bliver vigtigere og vigtigere for at sikre, at løftet om produktivitet i samarbejdet mellem cobot og mennesker bliver realiseret på en sikker måde.

DigiKey logo

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.

Om denne forfatter

Image of Jeff Shepard

Jeff Shepard

Jeff har skrevet om effektelektronik, elektroniske komponenter og andre teknologiske emner i over 30 år. Han begyndte at skrive om effektelektronik som seniorredaktør på EETimes. Han grundlagde efterfølgende Powertechniques, et designmagasin for effektelektronik, og senere grundlagde han Darnell Group, et globalt forsknings- og udgivelsesfirma inden for effektelektronik. Darnell Group udgav bl.a. PowerPulse.net, som dagligt leverede nyheder til det globale samfund inden for effektelektronik. Han er forfatter til en lærebog om switch-mode strømforsyninger med titlen "Power Supplies", der er udgivet af Reston-afdelingen af Prentice Hall.

Jeff var også med til at stifte Jeta Power Systems, en producent af switching-strømforsyninger med høj effekt, som blev overtaget af Computer Products. Jeff er også opfinder med 17 amerikanske patenter inden for termisk energiudnyttelse og optiske metamaterialer, og han er en kilde i branchen og en hyppig taler om globale tendenser inden for effektelektronik. Han har en mastergrad i kvantitative metoder og matematik fra University of California.

Om udgiveren

DigiKeys nordamerikanske redaktører