Coboty, lub roboty współpracujące, są terminami odmienianymi ostatnio we wszystkich przypadkach. Trudniej natomiast znaleźć odpowiedzi na ważne (moim zdaniem) pytania odnośnie nich. Czym jest cobot? Czy to się opłaca? Z czym wiąże się wdrożenie? I to właśnie na nich chciałbym się skupić.
Dni otwarte z MELFA Assista. Zobacz najnowszego cobota na żywo. Szczegóły i harmonogram:
https://iautomatyka.pl/dni-otwarte-Assista
Czym jest cobot
Poszukiwania definicji cobota zacznijmy od rzetelnych źródeł, jakimi niewątpliwie są normy. W przypadku robotów przemysłowych kluczowe są dwie z nich. Zacznijmy od pierwszej – ISO 10218-1 „Wymagania bezpieczeństwa dla robotów przemysłowych – Część 1: Roboty”. Skupia się ona na aspektach bezpieczeństwa. Opisuje, jak robot powinien być zbudowany i jakie funkcje ma posiadać, aby być bezpiecznym dla ludzi. Nie znajdziemy tutaj jednak żadnej wzmianki o cobocie.
Drugą częścią tej normy jest ISO 10218-2, która opisuje kwestie bezpieczeństwa przy wdrażaniu i integracji robotów przemysłowych. Są tutaj określone tryby współpracy robota z człowiekiem, jednak znowu nie znajdziemy tutaj definicji cobota.
Szukając szerzej, udaje się ją znaleźć. Wikipedia podaje taki opis: „cobot, robot współpracujący to robot który jest przeznaczony do współpracy, interakcji z człowiekiem w określonej wspólnej przestrzeni w bliskiej odległości.” Pojawia się jednak pytanie, czy Wikipedia jest wystarczającym źródłem informacji w przypadku zastosowań przemysłowych…
Można by odnieść wrażenie, że normy nie nadążają za rozwiązaniami dostępnymi na rynku. Jest w tym trochę prawdy (w końcu komitet ISO aktualizuje normy co kilka / kilkanaście lat). Jednak nie zapominajmy, że to normy wyznaczają dobre praktyki i są najprostszą drogą do zapewnienia zgodności maszyn i urządzeń z wymaganiami dyrektyw (w tym przypadku Dyrektywy Maszynowej).
Wróćmy więc normy ISO 10218-1 i opisania robota przemysłowego: (tłumaczenie własne)
„Robot jest po prostu komponentem w końcowym współpracującym systemie robotowym i sam w sobie nie wystarcza do bezpiecznej pracy współpracującej.”
Ten zapis pokazuje nam, że nie istnieje coś takiego jak cobot czy robot współpracujący. Możemy mówić jedynie o robotowym systemie współpracującym. Na tej samej zasadzie nie mówimy o robocie jako o kompletnej maszynie – jest on maszyną nieukończoną. Dopiero robot z podłączonymi: narzędziem, peryferiami, czujnikami i innymi niezbędnymi komponentami jest systemem robotowym i może być maszyną wykonującą określoną pracę. Taki system robotowy może być systemem współpracującym, który możemy definiować i którego pracę możemy opisywać
Tutaj powstaje kolejne pytanie, czym jest praca współpracująca?
Według normy ISO 10218-1 praca współpracująca jest to stan, w którym zaprojektowane w tym celu roboty bezpośrednio współpracują z człowiekiem w zdefiniowanej przestrzeni roboczej która musi być określona już na etapie projektowania całej stacji, nie jest to po prostu zasięg pracy robota.
Dalej znajdujemy informację na temat maksymalnej, bezpiecznej prędkości za którą uznawane jest 250 mm/s lub mniej (jest to zależne od oceny ryzyka).
W drugiej części normy znajdujemy często przewijający się zapis o tym że prędkość, odległości i inne parametry „powinny być określone poprzez ocenę ryzyka”, jednakże nie jest opisane w jaki sposób przeprowadzić taką ocenę ryzyka. Rodzi to sporo niejasności, w jaki sposób wykonać ocenę, co powinniśmy oceniać i pozostawia szerokie spektrum do dowolnej interpretacji.
Kolejnym dokumentem w którym możemy znaleźć informacje na temat Cobotów, jest specyfikacja techniczna ISO/TS 15066 „Roboty i urządzenia robotyczne – Roboty współpracujące”. Co ciekawe, chociaż w tytule pojawia się określenie „roboty współpracujące”, to również tutaj nie znajdziemy ich definicji.
Musimy również pamiętać że specyfikacja techniczna nie jest normą. Podaje nam jedynie wytyczne, jest swego rodzaju poradnikiem. Już na początku mamy informację że wszystkie te wartości, wskazówki w niej zawarte mogą ulec zmianie. Aktualnie komitet organizacyjny ISO pracuje nad tym aby tą specyfikację techniczną wpisać do normy ISO 10218-2, odnośnie integracji robotów. ISO/TS 15066 uszczegóławia jednak wymagania wspomnianej normy, i zdążyła stać się powszechnie akceptowanym dokumentem.
Znajdziemy w niej bardziej szczegółowe informacje o tym jak wdrażać roboty współpracujące. Znajdziemy tam np. informację o tym, że limity prędkości zależą od bezwładności, masy i najmniejszej powierzchni robota, która może mieć kontakt z odsłoniętym obszarem ciała. Ciekawe jest, że jeśli narzędzie lub detal przenoszony przez robota ma ostre krawędzie to robot będąc w zasięgu człowieka musi się zatrzymać albo zwolnić do bardzo niskiej prędkości (maksymalnie 50 mm/s). Kolejna przydatną informacją, jest mapa ciała człowieka z progami bólu i maksymalnymi siłami którymi robot może działać. I w zasadzie budując aplikację współpracującą z człowiekiem powinniśmy zmierzyć te siły i sprawdzić, czy nie przekraczają tych określonych wartości. Z drugiej jednak strony brakuje jasnego określenia jak wykonać pomiary, jakiej metody pomiarowej użyć itd.
Podsumowując wspomniane normy i specyfikację techniczną możemy sobie zadać nieco przewrotne pytanie: który z poniższych robotów jest robotem współpracującym?
Żaden. Jak wspominałem wcześniej, w świetle norm żaden z tych robotów nie jest robotem współpracującym – możemy mówić jedynie o systemie współpracującym.
W takim bądź razie, który z robotów może stać się częścią współpracującego systemu robotowego?
Każdy!
Zarówno „cobot” jak i „klasyczne” roboty przemysłowe mogą stać się częścią współpracującego systemu robotowego. W normach i specyfikacji technicznej mamy opisane cztery funkcje dotyczące współpracy z człowiekiem. Co ważne, system współpracujący musi realizować przynajmniej jedną z nich:
- Monitorowanie zatrzymywanie bezpieczeństwa
- Monitorowanie prędkości i pozycji
- Prowadzenie ręczne
- Ograniczenie mocy i siły
Różnica między „klasycznym” robotem a „cobotem” jest taka, że ten pierwszy może realizować dwie pierwsze funkcje (opcjonalnie prowadzenie ręczne przy zachowaniu zasad bezpieczeństwa), natomiast „cobot” jest w stanie realizować również ograniczenie mocy i siły. Pozwala to na pracę robota również w bezpośredniej bliskości człowieka. „Klasyczny” robot musi w takim przypadku stać w miejscu i czekać, aż operator się oddali.
Analizując to porównanie, warto zwrócić uwagę na różnice w wydajnościach obu typów robotów. „Klasyczny” jest w stanie rozpędzać się do 10 m/s, natomiast maksymalna prędkość „cobota” jest zazwyczaj ograniczona do 1m/s.
Rodzi to wiele pytań czy i kiedy warto stosować „cobota”. Czy nie wystarczy zastosować „klasycznego” robota z funkcjami bezpieczeństwa?
Przyjrzyjmy się bliżej takiemu systemowi, w którym do kontaktu robota z człowiekiem dochodzi tylko sporadycznie. Jest on dobrze opisany w normie ISO 10218-2:
- tylko część przestrzeni jest przestrzenią współpracy,
- prędkości robota i przestrzeń pracy są ograniczone,
- robot zatrzymuje się tylko wtedy gdy człowiek jest w stanie go dotknąć,
- robot zwalnia tylko wtedy gdy człowiek się zbliża; zatrzymuje się gdy człowiek wchodzi do przestrzeni roboczej (jest to bezpieczne zatrzymanie bez generowania błędów, po wycofaniu się robot wznawia pracę).
Taki system możemy uznać za współpracujący system robotowy, pomimo że mamy sporadyczną współpracę robota z człowiekiem. Tak naprawdę ten typ współpracy jest wystarczający w większości zastosowań przemysłowych. W sytuacji gdy mamy szybkiego robota, aplikacja działa sprawnie i przez większość czasu jest wydajna. Mamy współpracę robota z człowiekiem kiedy tego faktycznie potrzebujemy, przy zachowaniu zgodność z normami, a wszystkie funkcje są jasno opisane w wymienionych dokumentach.
Taki system współpracujący znajduje się w naszym Showroomie i doskonale widać jego pracę na poniższym wywiadzie z iAutomatyka.pl
https://youtu.be/OI1QyltsoLo
Istnieją jednak zastosowania, gdzie albo proces wymaga ciągłej obecności człowieka (pracy ramię w ramię), albo proces nie wymaga wysokiej wydajności robota. W takich przypadkach możemy w pełni wykorzystać zalety „cobotów”, jak np. łatwość programowania, czy większe bezpieczeństwo.
Musimy jednak wziąć pod uwagę kilka rzeczy związanych z wdrożeniem robota współpracującego.
Wdrożenie robota współpracującego
Przede wszystkim warto cały czas pamiętać, że musimy mówić o systemie robotowym. Ale zacznijmy od samego robota, który jest jego najważniejszą częścią. Robot, aby był określany jako współpracujący powinien mieć ramię zaprojektowane pod kątem bezpieczeństwa dla człowieka. Mówimy tutaj o cechach takich jak:
- brak stref ściskających,
- brak ostrych krawędzi,
- ograniczona siła/moment,
- ograniczenie prędkości,
- ograniczenia zakresu pracy,
- sygnalizacja świetlna (w robocie Assista Mitsubishi Electric jest to pierścień LED, który pokazuje w jakim trybie pracy jest ten robot i czy można do niego podejść).
Drugim kluczowym elementem, często niedocenianym jeśli chodzi o aplikacje współpracujące, jest narzędzie. Musimy pamiętać, że nawet jeśli użyjemy robota współpracującego ale zainstalujemy na nim narzędzie np. o ostrych krawędziach, to taki robot już nie będzie robotem współpracującym – łatwo może komuś zrobić krzywdę. Dlatego bardzo ważnym elementem jest odpowiedni zaprojektowanie i dobór narzędzia. Na rynku istnieje już pewna gama dedykowanych narzędzi – zarówno chwytaków jak i wkrętaków – które są projektowane pod kątem współpracy z człowiekiem. Posiadają takie funkcje jak informacje świetlną o stanie jego pracy, mają ograniczane siły oraz moment, nie posiadają ostrych krawędzi.
W tym miejscu warto zwrócić uwagę na opłacalność. Przykładowo wkrętak współpracujący, który nam zapewni bezpieczną współpracę robota z człowiekiem potrafi być trzy razy droższy niż standardowy wkrętak do aplikacji zrobotyzowanych.
Mamy robota współpracującego, mamy odpowiednie narzędzie, kolejną kwestią jest detal na którym robot pracuje. Jest to zazwyczaj element, który robot przenosi, więc musi on spełniać takie same wymagania odnośnie bezpieczeństwa. Musimy sprawdzić czy ma ostre krawędzie, jaka jest jego waga (przenoszenie 10kg elementów które w trakcie pracy mogą zostać upuszczone przez robota może stwarzać zagrożenia), temperatura, lub czy jest toksyczny – wszystkie te zagrożenia musimy wziąć pod uwagę na etapie oceny ryzyka.
W kolejnym kroku musimy zatroszczyć się o bezpieczeństwo operatorów w całej stacji i otoczeniu robota. Wspólna przestrzeń robocza maszyny ze wszystkimi peryferiami muszą być bezpieczne dla ludzi, musimy zadbać o to aby w tej przestrzeni nie było szybko poruszających się elementów, ostrych krawędzi czy też aby środowisko nie było toksyczne. Przykładem może być aplikacja malowania, gdzie raczej staramy się eliminować ludzi z tych toksycznych, niebezpiecznych miejsc.
Proces wdrożenia robota współpracującego jest znacznie bardziej skomplikowany, niż powszechnie się sądzi. Dlatego warto zadać sobie (zasadnicze) pytanie – czy to się opłaca?
Odpowiadając na nie, zróbmy proste obliczenie zwrotu z inwestycji:
Klasyczny robot
- Koszty pracy: 2 operatorów / 3 zmiany = 6 * 60 000zł = 360 000zł
- Koszt stanowiska zrobotyzowanego: koszt robota * 3 = 100 000zł * 3 = 300 000zł
- Koszt pracy stanowiska zrobotyzowanego: 25% kosztów pracy manualnej = 90 000zł
- Oszczędność kosztów pracy: 360 000zł – 90 000zł = 270 000zł
- ROI: 1 rok i 2 miesiące
Cobot
Wariant optymistyczny:
- Koszty pracy: 1 operatora / 3 zmiany = 3 * 60 000zł = 180 000zł
- Koszt stanowiska zrobotyzowanego: koszt robota * 3,5 = 100 000zł * 3,5 = 350 000zł
- Koszt pracy stanowiska zrobotyzowanego: 25% kosztów pracy manualnej = 45 000zł
- Oszczędność kosztów pracy: 180 000zł – 45 000zł = 135 000zł
- ROI: 2 lata i 8 miesięcy
Wariant pesymistyczny:
- Koszty pracy: 1 operatora / 3 zmiany = 3 * 60 000zł = 180 000zł
- Koszt stanowiska zrobotyzowanego : koszt robota * 3,5 = 200 000zł * 3,5 = 700 000zł
- Koszt pracy stanowiska zrobotyzowanego: 25% kosztów pracy manualnej = 45 000zł
- Oszczędność kosztów pracy: 180 000zł – 45 000zł = 135 000zł
- ROI: 5 lat i 3 miesiące
Wobec tego czy cobot się opłaca?
Patrząc na powyższe obliczenia, możemy dojść do wniosku, że nie. Jednak jeśli uwzględnimy również inne aspekty poza finansowymi, odpowiedź nie jest już tak oczywista. Warto zawsze uwzględnić takie kwestie jak łatwość przezbrajania i programowania (i oszczędności z tym związane). Większe bezpieczeństwo dla ludzi też stanowi wartość samą w sobie.
Podsumowanie
Pewne jest, że coboty są przyszłością, jednak być może niekoniecznie w takie formie jak dzisiaj je widzimy. Roboty te cały czas ewoluują. Na rynku da się zaobserwować tendencję przenoszenia funkcjonalności z cobotów do klasycznych robotów przemysłowych. Granica między oboma typami coraz bardziej się zaciera. Ciekawym rozwiązaniem są roboty, które można nazwać hybrydowymi. Nie mówimy tutaj o sposobie zasilania. Roboty te potrafią pracować na wysokich prędkościach, mają parametry przemysłowe ale też w razie potrzeby można przełączać je w tryb współpracujący, gdzie zmniejszamy siły i prędkości. Klasycznego robota wyposażamy we wszystkie funkcje cobota.
Ciekawym tego typu rozwiązaniem jest system, nad którym współpracujemy wraz z firmą Realtime Robotics. Składa się na niego trzy lub cztery kamery 3D, które w czasie rzeczywistym monitorują całą przestrzeń pracy robota oraz określoną przestrzeń współpracy. Dzięki temu system jest w stanie na bieżąco reagować na zmieniające się środowisko. Sprawia to, że roboty współpracują ze sobą („widzą” się nawzajem), a w sytuacji gdy operator wchodzi w przestrzeń pracy robota, to ten zatrzymuje się jeszcze przed kolizją. Mamy wtedy możliwość wyeliminowania kontaktu pracującego robota z człowiekiem. Dzięki temu nawet klasyczne roboty mogą współpracować z ludźmi. Nie musimy martwić się, jaką maksymalną siłę może wygenerować ramię robota – zatrzymuje się jeszcze przed kontaktem z człowiekiem. Natomiast może cały czas pracować w jego bezpośredniej bliskości.
Kluczowym elementem tego systemu jest specjalnie zaprojektowany chip służący do obliczania trajektorii robota w czasie rzeczywistym. Jeśli operator włoży rękę i przetnie trajektorię ruchu robota, wtedy ten zatrzyma się i obliczy nową trajektorię omijając rękę operatora. Pozwala to również na zmianę podejścia do programowania. Zamiast programować ruch narzędzia punkt po punkcie, wyznaczamy tylko konkretne zadania (np. pobranie detalu). Robot sam oblicza jak je wykonać. Trajektoria zależy od otoczenia (innych robotów, ludzi). Uzyskujemy w ten sposób świadomość otoczenia – coś, czego bardzo brakuje w aplikacjach współpracujących.
System ten jest przyszłością robotów współpracujących, która powoli wchodzi na rynek. Można go stosować zarówno z cobotami jak i klasycznymi robotami. Można go kupić jako osobny system podłączony do naszych robotów, natomiast cały czas pracujemy nad tym żeby zintegrować chip obliczający trajektorię ruchu w naszych kontrolerach.
W zakładach przemysłowych jest miejsce zarówno dla klasycznych robotów przemysłowych jak i cobotów. Tak naprawdę ten podział jest dość sztuczny – często „klasyczne” pracują w aplikacjach współpracujących, a „coboty” są ukryte za wygrodzeniami. Razem z postępem technologii oba te światy zlewają się coraz bardziej. Jestem przekonany, że za kilka, kilkanaście lat nie będziemy już dzielili robotów przemysłowych w ten sposób i każdego robota kompaktowego będziemy mogli nazwać „cobotem”.
Wojciech Łaś
