Roboty se v Průmyslu 4.0 vyvinuly v koboty

Průmyslové roboty se objevily na počátku Průmyslu 3.0 spolu s počítačovým řízením a automatizací. Vyvíjely se mnoho let a specializovaly se pro různá průmyslová odvětví a procesy. Roboty jsou určeny pro hromadnou výrobu. Obecně se používají samostatně, pracují v relativní izolaci na konkrétních úkolech. S nástupem Průmyslu 4.0, kyberneticko-fyzikálních systémů a internetu věcí (IoT) se některé roboty vyvinuly v kolaborativní roboty, nazývané koboty. Koboty interagují se svým prostředím, včetně lidí a dalších robotů, a podporují flexibilní výrobu a hromadné přizpůsobení (obrázek 1).

Obrázek 1: Konvenční průmyslové roboty fungují izolovaně (vlevo), zatímco koboty (vpravo) jsou navrženy tak, aby interagovaly se svým prostředím, včetně lidí a jiných robotů nebo strojů. (Zdroj obrázku: společnost Omron)

V průběhu evoluční cesty od robota ke kobotu došlo k četným úpravám: Koboty fungují odlišně, jsou naprogramovány jinak, bývají menší, jednodušší a v některých případech mobilní a ve srovnání s roboty se používají pro jiné procesy a musí splňovat různé bezpečnostní normy. Koboty nejsou obecně konkurencí robotů a ani je nenahrazují. Koboty rozšiřují možnosti využití automatizovaných procesů.

V tomto článku je sledován vývoj robotů v koboty: Je zde porovnáno odlišné fungování robotů a kobotů, přezkoumány různé programovací metody používané s koboty, probráno využití umělé inteligence (AI), internetu věcí a dalších technologií, které umožní mobilitu kobotů a interakci s lidmi, dále jsou zde podrobně popsány některé aplikace, kde koboty excelují, jako jsou dokončovací operace, kontrola kvality, logistika / přeprava materiálu a je zde také uvedena recenze rozšířených bezpečnostních standardů pro koboty. V celém článku je pak vykreslen obraz budoucích kyberneticko-fyzikálních operací, které spojují roboty, koboty a lidi za účelem maximalizace produktivity a kvality a zároveň minimalizace celkových nákladů.

Koboty jsou navrženy tak, aby nejen pracovaly s lidmi, ale aby se mohly přesouvat z místa na místo (obrázek 2). Tyto vlastnosti mají důležité důsledky pro programování kobotů, na to, kde a kdy se koboty používají, a na bezpečnostní požadavky týkající se kobotů.

Obrázek 2: Koboty lze podle potřeby přesouvat z místa na místo za konkrétními úkoly. (Zdroj obrázku: společnost Omron)

Učení kobotů

Průmyslové roboty jsou programovány pomocí jazyků jako C a C++. Koboty se vyvinuly do té míry, že je lze „učit“ pomocí různých nástrojů bez kódu, jako jsou přívěsky, tablety, dokonce i jen ručním přemisťováním ramene kobotu z bodu do bodu (obrázek 3). Použití různých metod učení namísto tradičního programování umožňuje kobotům učit se nové úkoly rychleji, což je důležité, když se kobot přesouvá z úkolu na úkol. Doba potřebná k naprogramování průmyslového robota dává ekonomický smysl, protože se používá po relativně dlouhou dobu ve vysoce produkčních aplikacích. Na druhou stranu se koboty potřebují rychle naučit nové procesy, aby se vyhnuly dlouhým obdobím drahých prostojů. Operátoři strojů mohou koboty učit konkrétním úkolům, aniž by potřebovali pomoc specializovaných programátorů. Úkoly, jako je vychystávání, včetně vizuální kontroly výsledků, lze naučit kobota během několika minut.

Obrázek 3: Kobota lze trénovat pohybem jeho ramena z polohy do polohy. Pravá ruka operátora je na kameře s vysokým rozlišením, pomocí které může kobot sledovat, kde se nachází a co je na daném místě. (Zdroj obrázku: společnost Omron)

Uměla inteligence plus strojové vidění může pomoci zlepšit učení a fungování kobotů. Inteligentní systémy vidění kobotů poskytují řadu funkcí, jako je identifikace a umístění objektů, interpretace čárových kódů a totemů, porovnávání vzorů a rozpoznávání barev. Systém vidění může také umožnit, aby kobota naváděla z polohy do polohy gesta rukou a naučila ho novému procesu. V jiných případech mohou operátoři strojů učit koboty rychle a efektivně na tabletu pomocí systému založeného na vývojovém diagramu s přetahováním (obrázek 4).

Obrázek 4: Intuitivní učení/programování přetahováním maximalizuje produktivitu a flexibilitu kobotů. (Zdroj obrázku: společnost Omron)

Kromě práce s lidmi mohou koboty pracovat s autonomními mobilními roboty (AMR) a přecházet od úkolu k úkolu (obrázek 5). AMR jsou specializované koboty, které spolupracují s lidmi, koboty, roboty a stroji a provádějí s vynikající efektivitou úkoly, jako je manipulace s materiálem. Stejně jako manipulace s materiálem není ani přesun kobota z místa na místo vysoce kvalifikovanou činností, takže je vhodný pro implementaci AMR. AMR se navigují z místa na místo pomocí kombinace palubních senzorů a výpočetní techniky, aby porozuměly svému bezprostřednímu prostředí s bezdrátovým připojením k centralizovaným výpočetním zdrojům a sofistikovaným senzorovým sítím v celém závodě, které AMR pomáhají pochopit polohu překážek na plánované trase a efektivně se pohybovat kolem pevných překážek, jako jsou např. pracovní stanice, regály a roboty stejně jako různé překážky, jako jsou vysokozdvižné vozíky, další AMR a lidé.

Obrázek 5: Kobot-manipulátor (nahoře) může být vyzvednut a přemístěn na novou pracovní stanici autonomním mobilním robotem (dole). (Zdroj obrázku: společnost Omron)

K čemu jsou koboty dobré?

Schopnost kobotů pracovat s AMR, lidmi, jinými roboty a stroji otevírá nové příležitosti pro automatizaci. Koboty nacházejí uplatnění při hromadném přizpůsobení v široké řadě průmyslových odvětví a procesů, jako jsou montážní operace, dávkování, šroubování, obsluha strojů, paletizace, vychystávání a další, a ve stejně široké řadě průmyslových odvětví od automobilového průmyslu po zpracování potravin a výrobu polovodičů (obrázek 6).

Obrázek 6: Koboty jsou flexibilní a lze je použít v různých aplikacích. (Zdroj obrázku: společnost Omron)

Provádění opakujících se nebo složitých montážních úkolů mohou efektivně provádět koboty pracující po boku lidí. Pokud je kobot spárován s AMR, může zlepšit implementaci složitých vychystávacích operací a dodávání materiálů na pracoviště. Jakmile je materiál dodán na konec linky, může kobot produkty rychle paletizovat k odeslání. Pomocí strojového vidění a umělé inteligence mohou koboty kontrolovat, třídit a sbírat hotové díly z dopravního pásu a ukládat je do kartonů. Koboty mohou rychle přizpůsobit své chování novým produktům a sezónním výkyvům.

Koboty jsou přizpůsobitelné různým výrobním procesům, včetně (jak bylo uvedeno výše) obsluhy strojů, šroubování a dávkování. CNC stroje, razicí a děrovací lisy, různé řezací stroje a vstřikovací stanice patří k úkolům obsluhy strojů, kde koboty mohou ulehčit lidem od opakujících se a potenciálně nebezpečných činností. Šroubovací koboty přidávají přesnost a konzistentní točivý moment, což má za následek vyšší kvalitu než u ruční montáže. Dávkování různých materiálů, jako jsou lepidla, těsnění, barvy a další povrchové úpravy, mohou koboty provádět s vysokou úrovní přesnosti. Koncové efektory kobotů jsou zaměnitelné a umožňují kobotům přecházet z úkolu na úkol podle potřeby (obrázek 7).

Obrázek 7: Koncové efektory kobotů lze snadno přepnout na jakýkoli úkol. To poskytuje flexibilitu pro přechod na různé výrobní požadavky s minimálními prostoji. Dva nejvyšší koncové efektory zahrnují kameru s vysokým rozlišením pro systémy vidění založené na umělé inteligenci. (Zdroj obrázku: společnost Omron)

Kontrola hotových dílů nebo výrobků je další oblastí, kde mohou koboty se strojovým viděním vyniknout. Pokud je součást složitá, může důkladná kontrola vyžadovat snímky s vysokým rozlišením z různých úhlů vyžadujících koordinaci více stacionárních kamer. Alternativně může kobot s jedinou kamerou identifikovat kontrolovaný díl a podle toho se po něm pohybovat, přičemž zachycuje všechny potřebné snímky pro kompletní vizuální kontrolu.

Vyvíjející se bezpečnost kobotů

Spolu s koboty se vyvíjela bezpečnostní hlediska. Ve srovnání s průmyslovými roboty jsou požadavky na bezpečnost kobotů složitější. Tým složený z kobota a člověka může kombinovat opakující se výkonnostní schopnosti robotů s individuálními dovednostmi a flexibilitou lidí. Koboty (a roboty) jsou zběhlí v úkolech, které vyžadují přesnost, vytrvalost a sílu, zatímco lidé jsou zběhlí v řešení nepřesných situací a proměnlivých problémů. Kombinace těchto doplňkových dovedností přináší výzvy související s bezpečnými interakcemi mezi lidmi a koboty.

Bezpečnostní normy pro průmyslové roboty jsou obecně založeny na vyloučení operátorů z pracovního prostoru během doby, kdy je robot aktivní. Bezpečnost kobotů předpokládá interakci s lidmi. Definujícími bezpečnostními standardy jsou limity rychlosti, točivého momentu a síly kobota a zahrnují nouzové zastavení versus ochranné zastavení.

Operátor iniciuje nouzové zastavení kobota – zastaví tím veškerý pohyb kobota a odebere mu energii. Pro zotavení z nouzového zastavení je vyžadován restart. K ochrannému zastavení dojde automaticky, když osoba vstoupí do ochranného prostoru kolem kobota (obrázek 8). Během ochranného zastavení je kobot stále napájen. Během ochranného zastavení jsou také kodéry pohybu kobotů monitorovány z hlediska nechtěného pohybu. Pokud je detekován nezamýšlený pohyb, napájení se odpojí.

Obrázek 8: Kartézský bezpečnostní prostor kolem kobota (modrý rámeček) může být obdélníkový nebo válcový a vymezuje zónu vyloučení. Pokud osoba pracující vedle kobota vstoupí do zóny vyloučení, kobot iniciuje ochranné zastavení. (Zdroj obrázku: společnost Omron)

Některé koboty jsou navrženy se dvěma nastaveními provozních rychlostí, jednou pro maximální výkon a jednou pro maximální bezpečnost. V nastavení výkonu se předpokládá, že do chráněného prostoru kobota nevstoupí žádná osoba a kobot bude k zajištění maximální produktivity pracovat vysokou rychlostí. Pokud osoba vstoupí do chráněného prostoru, kobot z důvodu maximální bezpečnosti přejde automaticky do nastavení člověk-kobot se sníženými rychlostmi, točivými momenty a silami.

Existuje několik vyvíjejících se norem a pokynů týkajících se bezpečnosti kobotů. Technická norma ISO 15066:2016 a technická zpráva RIA 15.606-2016 popisují čtyři techniky spolupráce používané ke snížení rizik pro lidské pracovníky: bezpečnostní zastavení monitorem, ruční navádění, monitorování rychlosti a separace a systémy omezování síly („Power Force Lightning“, PFL). Standard TS 15066 je normativní a jsou v něm podrobně popsány kroky potřebné pro shodu s normou. Standard TS 15.606 je informativní a jsou v něm uvedeny informace a metody, které lze použít ke splnění normy.

Ve zprávě RIA TR R15.806-2018 je popsán způsob testování sil vyvíjených systémem PFL. K dodržování standardů souvisejících s monitorováním rychlosti a separace jsou vyžadovány senzorové systémy. U systémů PFL a bezpečnostních zastavení monitorem je požadavkem zabezpečení v uzavřených zónách.

V normě ISO 13855:2010 je stanoveno umístění ochranných prvků s ohledem na rychlosti přiblížení kobotů ke konkrétním částem lidského těla. Je v ní poskytnuta metodologie pro stanovení minimálních vzdáleností k nebezpečné zóně od zóny detekce/vyloučení nebo aktivace bezpečnostních zařízení.

Souhrn

Spolupráce je charakteristickým znakem Průmyslu 4.0 a kyberneticko-fyzikálních systémů a koboty jsou klíčovými účastníky při řízení vyšších úrovní spolupráce. Koboty se neustále vyvíjejí, aby bylo jejich použití jednodušší, bezpečnější a flexibilnější. Díky pokrokům v nástrojích pro učení kobotů a umělé inteligenci je používání kobotů intuitivnější. Vyvíjející se rozhraní člověk-stroj (HMI) kobotů vede k vyšší produktivitě a vyšší kvalitě hromadné zakázkové výroby. Koboty nenahrazují roboty. Koboty rozšiřují příležitosti pro automatizaci a hranice mezi roboty, koboty a lidmi je stále plynulejší. S tím, jak se koboty stále více podobají kolegům a méně průmyslovým robotům, rozšiřují se bezpečnostní standardy kobotů a jsou stále důležitější, aby zajistily, že bude bezpečně realizován příslib produktivity spolupráce mezi kobotem a člověkem.