Колаборативни роботи

АвтоматизацияСп. Инженеринг ревю - брой 6/2016 • 27.09.2016

Колаборативни роботи
Колаборативни роботи

Kолаборативните роботи (наричани още “ко-боти”) са проектирани да работят в споделено работно пространство с човека и да му асистират при изпълнението на различни задачи, без традиционните заграждения, клетки и бариери, които типично отделят индустриалните роботизирани системи от работниците.

Това е една от най-съвременните технологии в индустриалната автоматизация, която изключително бързо набира популярност в заводи и фабрики по целия свят поради множеството си предимства в сравнение с конвенционалните индустриални роботи.

Пазарът на иновации в тази област тепърва се разраства, като към момента колаборативните роботи вече са се наложили в приложения като обслужване и управление на различни машини и оборудване, подемно-транспортни, монтажни и опаковъчни дейности, визуална инспекция, pick-and-place операции и т. н.

Тези “умни” роботи, способни да работят безопасно редом с човека, намират приложение не само в индустриалното производство. Много от професионалните сервизни роботи са колаборативни по дизайн и се използват в офиси, домове, лаборатории, логистични центрове и складове, ферми, дистрибуционни звена, болници, здравни заведения, обществени сгради и много други обекти.

Първият индустриален колаборативен робот
е внедрен в производството на датски доставчик на технически пластмаси и каучук за индустриални приложения през 2008 г. Днес, само осем години по-късно, пазарът на такива роботи експоненциално нараства.

По данни на Business Wire, този сегмент от индустриалната роботика се очаква да регистрира комбиниран годишен темп на растеж от 60,04% през следващите пет години, като от 110 млн. щатски долара през 2015 г. достигне 3,3 млрд. до 2022 г.

Колаборативните роботи стават все по-достъпни в ценови план, все по-гъвкави и адаптивни, все по-лесно и интуитивно програмируеми. Това ги прави предпочитано решение за автоматизация на производството и в малки и средни предприятия по цял свят, които се очаква да бъдат основният клиент на тази технология през следващите години, прогнозират пазарните анализатори.

Статистика на списание IEEE Spectrum, издание на Института на инженерите по електротехника и електроника (IEEE), сочи, че понастоящем продажбите на колаборативни роботи съставляват около 5% от общия пазар на технологии в областта на роботиката, но този дял се очаква значително да нарасне в следващите години, като най-търсени ще са леките, малогабаритни роботи.

Предимства на колаборативните роботи
Колаборативните роботи са естествено еволюционно разклонение в индустриалната роботика. Те пестят ценно място в заводите, което ги прави подходящи за внедряване дори в най-ограничените в пространствено отношение приложения, например в малки монтажни линии в електронното производство.

Същевременно, става все по-лесно такъв робот да бъде програмиран и адаптиран към конкретното предприятие, дори и към най-специфичните процеси и технологични линии, включително при малки партиди, като за целта не е необходим специално обучен програмист. Конфигурирането може да бъде извършено бързо и лесно от всеки служител посредством сензорния екран на робота.

Изключително атрактивна за индустриалните производители е възможността колаборативните роботи да заместят човека в скучни и повторяеми операции, както и да преодолеят множество предизвикателства, свързани с ергономията на работните пространства.

Сред най-сериозните доводи в полза на колаборативните роботи е безопасността.

Индустриалните роботи типично се инсталират в клетки или зад заграждения, за да се осигури безопасността на преминаващите или работещите в близост служители. С внедряването на колаборативни роботи в индустриалното производство инцидентите, водещи до наранявания и смърт на работници, значително са намалели.

Тези роботи се проектират във всякакви размери и форми и разполагат с интегрирани сензори, меки и заоблени повърхности и редица други способи за намаляване до минимум на риска от удар, притискане или смачкване на работниците.

Най-същественият отличителен белег на колаборативните роботи по отношение на безопасността е ограничението на силата в подвижните съединения (шарнири, стави).

В допълнение, роботът обикновено е програмиран незабавно да спре при допир с човека или при прекалено скъсяване на разстоянието до него, за да се избегнат всякакви възможни сблъсъци и наранявания.

Колаборативни функции
Съгласно международния стандарт ISO 10218: “Роботи и роботизирани устройства - Изисквания за безопасност при промишлените роботи”, част 1 част 2, има четири типа колаборативни функции:

Безопасно спиране. Тази колаборативна функция се използва основно, когато роботът работи предимно сам, но от време на време се налага работник да навлезе в работното му пространство.

Такива са например приложенията, в които едрогабаритни детайли се транспортират или поддържат от роботи, а работниците извършват вторични операции върху детайлите, докато са захванати от гриперите или щипките на роботизираните ръце.

Когато служителят навлезе в обезопасената, виртуално ограничена, работна зона, роботът незабавно спира, като не се изключва, а остава в режим на изчакване. Тази функция е рентабилна за приложения, в които човекът рядко навлиза в работния периметър на робота.

В противен случай, при постоянни прекъсвания би могло да бъде загубено доста време и това да повлияе негативно върху продуктивността на робота.

Направляване на ръчни операции. Това колаборативно приложение се използва за направляване на ръката при работа с роботизирани инструменти или за обучаване на робота на желаните траектории при pick-and-place и други сходни операции.

Технологията позволява конвенционални индустриални роботи да бъдат ангажирани в колаборативни дейности посредством допълнителни устройства, “усещащи” силата, която работникът прилага на роботизирания инструмент посредством сензори за сила, натиск, въртящ и усукващ момент и др.

Мониторинг на скоростта и предефинирана работна зона. При този тип колаборативни приложения работната среда на робота се наблюдава посредством лазери или система за машинно зрение, които проследяват позицията на работниците в пространството.

Роботът функционира само в обхвата на предварително дефинираната работна зона. Когато работникът навлезе в тази зона, роботът реагира със значително понижаване на скоростта си на работа, а при навлизане на човек в предефиниран по-малък периметър около робота, той напълно спира. Обикновено, за да поднови работата си при режими на безопасно спиране и работа с безопасна скорост, роботът изчаква обратна връзка (команда или сигнал) от оператора.

Работните зони и зоните на безопасност са класифицирани така, че роботът да възпроизвежда различни реакции спрямо положението на работниците в пространството.

Ограничение на мощност и сила. Колаборативните роботи с функция за ограничение на мощността и силата се считат за най-безопасни, тъй като могат да работят редом с човека без допълнителни устройства или системи за обезопасяване.

Роботът е програмиран така, че да “разпознава” необичайни (прекалено големи) усилия и да спира мигновено при наличието на такива. Този тип роботи са проектирани така, че да “разсейват” силата в случай на сблъсък с човек на по-голяма площ, и затова са със заоблени форми.

В допълнение, този тип роботи нямат изложени на показ кабели двигатели и други движещи се части.

Голяма част от колаборативните роботи се сертифицират за безопасност от съответните органи съгласно стандарти за индустриална безопасност при колаборация между хора и роботи.

В тази връзка, техническата спецификация ISO/TS 15066: “Роботи и роботизирани устройства - Колаборативни роботи” дефинира максималните сила и енергия, които могат да бъдат приложени върху човек, без това да му нанася физическа вреда.

Тя е приложима по отношение на колаборацията "човек-робот" както с конвенционални индустриални роботи, така и с колаборативни роботи с ограничение на силата.

Функции, базирани на ограничение на силата
Основна характеристика на колаборативните роботи, снабдени с тези функции, е възможността шарнирните им съединения да отчитат големината на силите, които упражняват отделните им звена или сегменти, и да регистрират всякакъв род отклонения от предефинираните параметри.

Най-често тези роботи са програмирани да спират работа при подобни ситуации, а някои – и да се връщат на обратен ход до безопасна позиция. Така те могат да реагират незабавно при контакт с човек и евентуално да разсеят голяма част от енергията при сблъсъка, за да намалят силата на удар.

Предлагани от производителите си като “безопасни”, тези роботи се проектират да бъдат далеч по-отзивчиви на сигнали от работната среда от конвенционалните си аналози. Те са със заоблена геометрия и често биват съотнасяни към компактните индустриални роботи поради сравнително малките си габарити.

Някои колаборативни роботи с ограничение на силата разполагат и с външна обвивка (“кожа”), в която са инсталирани сензорите, необходими им, за да “усещат” работната среда. Тази кожа играе ролята на допълнително средство за омекотяване в случай на сблъсък с човек.

Развитие на сензорните технологии при колаборативните роботи
Сензорните устройства са ключови за интегрирането на роботи в индустриални машини и оборудване. Масово използвани са сензорите за присъствие, включително капацитивни и индуктивни сензори за близост и датчици за разстояние, ултразвукови и фотоелектрически сензори и др.

Обикновено във всички роботи се вграждат устройства за обратна връзка – енкодери, резолвери и др. електромеханични устройства за измерване на ъгли или обороти.

Допълнително, в зависимост от конкретното предназначение, колаборативните роботи биват оборудвани с три категории сензорни технологии – сензори на хващачите и другите инструменти на края на роботизираната ръка (end-of-arm tooling, EOAT); превантивни сензори (за предотвратяване на повреди по самите роботи) и сензори за безопасност, които се грижат за сигурността на хората в близост до роботите в движение.

EOAT сензорите
типично са фотоелектрични датчици или сензори за близост, които регистрират кога даден обект е захванат от хващачите или други инструменти на робота, свързани с логиката на системата.

Ако грипер-сензорът не е активен, програмното осигуряване на робота ще го инструктира да поеме друга траектория или да алармира оператора, че нещо не е наред.

Този тип отчитане има два отделни аспекта – регистриране на присъствие на обект в хващача с цел безопасно продължаване на последователността от операции, както и качествено оценяване на даден обект при навлизането му в работния обхват на робота, верифициране и вземане на решение дали да бъде захванат от инструментите и манипулирането с него да продължи.

Сензорите за превенция
обикновено са аналогови датчици. Те се използват, за да регистрират чрез аналогови измервания малки отклонения в работата на робота, които той не е способен сам да отчете като грешки. Такива са например опитите за сглобяване на две части, които не пасват, при монтажните дейности.

В такива случаи чрез динамометрични датчици сензорната система за превенция регистрира по-голямо усилие от типично необходимото и инструктира робота да спре да опитва да извърши сглобката. Чрез такъв тип отчитане се предотвратява счупване или друго повреждане на хващачите и другите инструменти и системи на робота.

Сензорните системи за безопасност
при индустриалните роботи са претърпели значително развитие през годините. Сред най-високотехнологичните методи за осигуряване безопасността на персонала днес са 3D скенерите.

Обикновено те биват позиционирани в непосредствена близост до робота, в периметъра на работната му зона, и програмирани да регистрират навлизането на човек в предефинирания обхват на системата. Тази технология е подходяща за осигуряване на безопасност при роботи, които се задействат автоматично.

Сензорите за близост
имат основната функция да регистрират наличието или отсъствието на даден обект (изделие, продукт, компонент, инструмент) в определен етап от роботизираните процеси, необходим за безопасното извършване на желаните последващи операции.

Инсталирани главно на хващачите или на съответните изпълнителни инструменти (end effectors) на върха на роботизираното рамо/ръка, този тип сензори отчитат дали е бил захванат правилният обект, както и дали е бил захванат по правилен начин.

За целта се използват различни решения – от обикновени дискретни датчици, които единствено се включват и изключват, до по-усъвършенствани сензори, които изпращат към контролер постоянна информация за пространствена позиция и размер на обекта чрез аналогови или серийни цифрови изходи.

Прецизни сензори
С намаляването на габаритите на обектите, с които индустриалните роботи боравят, както и на самите работни клетки, се изисква все по-висока точност и прецизност в работата им. В резултат, все по-масово в автоматизираните производства се налагат миниатюрните сензори.

Освен очевидни предимства, като изключително малки размери и тегло, тази категория сензори гарантира и много по-висока точност на отчитане.

Терминът “прецизно отчитане” се използва за дефиниране способността на миниатюрните датчици да осигуряват повече стабилни точки на отчитане, дори при температурни колебания.

Сензорите от този тип се отличават и с по-повторяемо поведение, с по-кратки прозорци на хистеризис – разликата между точките на включване и изключване, както и с по-добра способност да регистрират наличието на обекти с много малки размери, често “невидими” за по-големите датчици.

Прецизните миниатюрни сензори предоставят на роботите пространствена информация за позиционирането на обекта, с който се борави. Посредством технологии, като лазерни сензори за разстояние и системи за машинно зрение, роботите могат изключително прецизно да захванат и боравят с желаното изделие или компонент, както и да избегнат сблъсъци с работници или различни обекти в работната зона.

Пет неоспорими ползи от колаборативните роботи в МСП
При малките и средните предприятия всяко оптимизиране на дейностите и повишаване на производителността оказва огромен положителен ефект върху икономическата рентабилност на съответния бизнес.

Обикновено производителите от този сегмент не могат да си позволят големи, сложни и скъпи роботи, които често трудно се побират в ограниченото пространство на цеховете им и изискват специално обучен персонал, който да ги програмира и обслужва. Тези системи типично са с прекалено дълъг период на възвръщаемост на инвестицията и покупката им трудно може да бъде икономически обоснована.

Колаборативните роботи са ново поколение индустриални роботи, което позволява на малкия и среден бизнес значително да оптимизира производствените си операции, да повиши конкурентоспособността си и да подобри безопасността на работните условия за персонала си. Тези роботи осигуряват на МСП редица ползи, сред които:

Бърза инсталация. Инсталирането и конфигурирането на конвенционален индустриален робот може да отнеме дни, а понякога дори и седмици.

Това често е свързано с продължителни прекъсвания в производството, които малките и средните предприятия не могат да си позволят, тъй като им костват множество разходи и пропуснати ползи. Колаборативните роботи могат да бъдат инсталирани от необучен персонал и пуснати в експлоатация само в рамките на няколко часа.

Лесно програмиране. Повечето предприятия от малкия и средния бизнес не разполагат със специален служител или отдел, отговарящ за програмирането на индустриални роботи. Иновативната технология на колаборативните роботи обаче позволява на всеки служител без предварителна подготовка или опит да програмира системата бързо и безпроблемно посредством интуитивни инструменти и логически стъпки чрез лесен за използване софтуерен съветник за програмиране.

Усъвършенствана безопасност, дори и за малки производства. Конвенционалните индустриални роботи обикновено изискват големи работни зони и допълнителни съоръжения за обезопасяване (клетки, бариери, заграждения), които увеличават общата им цена на притежание, намаляват ефективното работно пространство в цеха и възпрепятстват гъвкавостта на операциите. Често се налага и назначаването на служител, който да следи за ненавлизането на хора в работната зона на робота.

МСП в повечето случаи не могат да си позволят подобно похабяване на ценни ресурси като пространство и персонал.

Колаборативните роботи, от своя страна, могат да работят редом с работниците в споделени работни клетки, без предпазни съоръжения и без нужда от големи заделени пространства за инсталирането им.

Тези роботи могат да поемат всички повторяеми и потенциално опасни за служители задачи и операции, като така значително подобряват безопасността, дори в малки, пространствено ограничени, производства.

Гъвкаво адаптиране към множество приложения. Индустриалните роботи, специализирани в извършването на тясно профилирани задачи, обикновено ограничават производителността и се оказват нерентабилни за малките и средните предприятия, които типично произвеждат малки партиди и се налага често и бързо да преконфигурират технологичните си линии.

Колаборативните роботи са леки, малогабаритни, пестят пространство и са подходящи за внедряване в различни зони на технологичните линии, като могат да бъдат лесно премествани, без да се подлагат на риск производителността и обемът на продукцията. Способни да използват повторно програми за повтарящи се операции, те позволяват гъвкави производствени процеси с минимално време и усилия за пренастройка.

Бърза възвръщаемост на инвестицията. При малките и средните предприятия е от изключителна важност всяка инвестиция в средства за автоматизация да се изплати възможно най-бързо. Без необходимост от допълнителни разходи за инсталиране, програмиране, обслужване и специални, обезопасени работни клетки, колаборативните роботи осигуряват кратки периоди на възвръщаемост на инвестицията от 3 до 6 месеца.

Освен все по-достъпната цена, съществени техни предимства са и лесните им внедряване и експлоатация, които често предотвратяват много допълнителни непредвидени разходи на производителите.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top