Collaborative robots, czyli roboty kolaboracyjne lub inaczej coboty to roboty współpracujące bezpośrednio z człowiekiem. Roboty tego typu na ogół nie wymagają stosowania ogrodzenia ochronnego lub innych mechanicznych barier – mogą pracować „ramię w ramię” z człowiekiem.
To czy konieczne będzie zastosowanie dodatkowych środków ochronny zależy od aplikacji, a nie samego robota. W praktyce bowiem często to nie robot stanowi zagrożenie, ale narzędzie jakie ma zamontowane. Często jako przykład podaje się tu np. nóż, czy igłę. Czy cobot wyposażony w takie narzędzie będzie bezpieczny, pomimo ograniczonej prędkości, czy specjalnych powłok ? Myślę że odpowiedz jest oczywista.
Warto też wiedzieć jak to wygląda od strony prawnej. Robot to „maszyna nieukończona” zgonie z Dyrektywą Maszynową 2006/42 WE. Maszyna zgodnie z definicją musi mieć bowiem konkretne zastosowanie, a robot bez narzędzia go nie ma. Zatem robot nie posiada deklaracji zgodności (na Dyrektywę Maszynową), która jest niezbędna, aby można było go bezpiecznie użytkować.
Zastosowanie cobota nie oznacza automatycznie, że żadne dodatkowe urządzenia ochronne nie będą potrzebne. Często spotykamy się z przypadkami, gdy do cobota trzeba jednak zastosować dodatkowe urządzenia ochronne.
Adam Tupacz, SICK Polska
W publikacjach anglojęzycznych możemy też spotkać się z określeniem tego typu aplikacji jako HRC (Human Robot Collaboration).
Konstrukcja
Cechą charakterystyczną tych robotów jest zredukowana prędkość maksymalna oraz wbudowany czujnik siły, który po wykryciu kolizji umożliwia bezpieczne zatrzymanie robota. Ponadto ramię cobota jest wykonane inaczej niż tradycyjnych robotów przemysłowych. Stosowane są materiały kompozytowe, specjalne powłoki ochronne często zawierające dodatkowe sensory dotyku lub odległości (Bosch Rexroth).
Czasami, jak w przypadku cobotów od FANUC’a, jest to ta sama konstrukcja jedynie ubrana w „gumowy” płaszcz ochronny, natomiast wyposażona w dodatkowy sensor siły oraz oprogramowanie nadzorujące bezpieczną pracę ramienia.
W cobocie Mitsubishi Electric postawiono na standardową konstrukcję przemysłową. Ramię zaprojektowane jest tak, aby wyeliminować strefy zgniotu i ostre krawędzie, jednak wewnątrz znajdują się standardowe napędy i przekładnie, używane w „klasycznych” robotach przemysłowych. Pozwala to na uzyskanie dużej sztywności i powtarzalności oraz zapewniają długą żywotność konstrukcji. Zastosowane serwonapędy eliminują konieczność dodatkowych czujników siły lub momentu – to napędy pełnią ich rolę, a oprogramowanie nadzorujące dba o ograniczenie maksymalnych sił, jakie ramię może wytworzyć.
Podstawowe parametry
Oprócz ograniczonej prędkości maksymalnej oraz momentu siły roboty kolaboracyjne cechuje również relatywnie niewielki payload, często dwukrotnie wyższa cena oraz równie często niższa powtarzalność niż w przypadku tradycyjnego robota tego samego rozmiaru. Większość cobotów jest projektowa do pracy z obciążeniami rzędu kilku do kilkunastu kilogramów choć istnieją i takie, które potrafią przenosić nawet 170 kg (Comau – AURA).
Biorąc pod uwagę fakt ich przeznaczenia payload z reguły nie jest największym ograniczeniem – być może za wyjątkiem ABB YUMI (0.5kg), natomiast maksymalna prędkość często już tak. Postawą realizacji aplikacji zrobotyzowanej jest przeprowadzenie symulacji offline i ocena czy dany robot, mówiąc kolokwialnie, zmieści się w wymaganym czasie cyklu. Z tego względu roboty kolaboracyjne nie zawsze są w stanie sprostać wszystkim zadaniom. Ich największą zaletą jest natomiast elastyczność. Ponieważ nie wymagają barier ochronnych a ich typowy rozmiar to ramię o zasięgu 1-1.5m oraz udźwigu ok 5 -10kg, bardzo często są one montowane na mobilnych stacjach umożliwiających błyskawiczne przestawienie robota na inne stanowisko pracy, w celu wykonania innego programu.
Tego typu rozwiązania świetnie sprawdzają się na przykład w firmach zajmujących się obróbką skrawaniem wykonujących dużą ilość różnorodnych wariantów części lub krótkie partie prototypowe. W połączeniu z coraz bardziej przystępną ceną takich robotów, niektóre firmy decydują się na zakup takiego uniwersalnego „pracownika” niemal w ciemno to znaczy nie z przeznaczeniem dla konkretnego produktu, jak to z reguły ma miejsce w przypadku standardowych robotów, lecz bardziej jako narzędzie takie jak wózek widłowy czy wiertarka.
Coboty z jednej strony oferują niesamowita elastyczność, łatwość programowania oraz redukcję kosztów urządzeń peryferyjnych z drugiej jednak strony konsekwencją tych zalet są pewne ograniczenia dlatego należy pamiętać, iż są one przeznaczone do specyficznych zadań.
„Wprowadzenie robotów współpracujących skutkuje podwyższeniem poziomu jakości i powtarzalności produkcji, ograniczeniem strat, lepszym wykorzystaniem materiałów i zasobów, zwiększeniem elastyczności i przewidywalności procesów, a w efekcie wzrostem konkurencyjności zakładu. Możliwości zastosowania takiego robota są praktycznie nieograniczone, zarówno jeśli chodzi o aplikacje przemysłowe, jak również branże przemysłu. Roboty współpracujące w ogromnym stopniu poprawiają ergonomię pracy poprzez odciążanie pracowników na liniach montażu, jak też wykonywanie serii powtarzalnych czynności. FANUC posiada najszerszą ofertę robotów współpracujących na rynku (seria CR), które cieszą się uznaniem klientów na całym świecie. A już wkrótce przedsiębiorcy w Europie będą mogli bliżej poznać innowacyjne roboty serii CRX. Dzięki obniżonej masie i uproszczonym standardom obsługi znacznie poszerzą one możliwości zastosowania robotów współpracujących w produkcji, m.in. w systemach wykorzystujących mobilne platformy AGV.”
Fanuc Polska
Pozycjonowanie i systemy dodatkowe
Systemy wizyjne są bardzo ważnym dodatkowym wyposażeniem robotów a także robotów współpracujących. Cobot wyposażony w „oczy” staje się systemem bardziej elastycznym, nie ma już bowiem konieczności programowania ruchów robota do stałych pozycji lecz dynamicznie uaktualnianych na podstawie współrzędnych przekazanych z kamery. Kamery mają zastosowanie tam, gdzie nie znana jest pozycja elementu, który ma zostać chwycony przez robota albo tam gdzie, np. w wyniku transportu pozycja danego elementu mogła ulec zmianie.
Obecne wymagania rynku wymuszają dostosowanie procesów produkcyjnych w bardzo krótkim czasie, coboty wraz z systemami wizyjnymi doskonale wychodzą naprzeciw tym oczekiwaniom. Wiele produktów obecnie jest dostosowywana do indywidualnych potrzeb klienta, przez co roboty i kamery, a właściwie algorytmy w nich „zaszyte” muszą być często uaktualniane do obsługi nowych elementów. Kluczowym elementem jest interfejs użytkownika, musi on być intuicyjny i bardzo łatwy w obsłudze. Dodawanie nowych elementów powinno być kwestią kilku minut. Taki jest właśnie system wizyjny 2D PLOC. To SMART kamera, która posiada webowy interfejs użytkownika, nie ma zatem konieczności posiadania dedykowanego oprogramowania do obsługi kamery. Wystarczy urządzenie z przeglądarką, np. laptop, tablet czy smartfon w celu przeprowadzenia konfiguracji. Po wykonaniu konfiguracji, PC nie jest potrzebny do pracy układu, gdyż PLOC-2D wysyła gotowe wyniki do układu robota. Kamera jest w stanie lokalizować jeden bądź wiele elementów takich samych bądź różnych w polu widzenia. PLOC-2D może zatem posłużyć także do identyfikacji elementów, wystarczy wcześniej wprowadzić, „nauczyć” wszystkich spodziewanych różnych elementów. Warto wspomnieć, że algorytmy systemu przewidują pracę statyczną lub dynamiczną, tzn. elementy do znalezienia mogą być nieruchome bądź mogą przemieszczać się na przenośniku. Kamera może być zamontowana zarówno na ramieniu robota, jak również na oddzielnym statywie.
System jest przystosowany do przeprowadzenia integracji z niemal wszystkimi producentami robotów oraz robotów współpracując dostępnych na rynku. System obsługuje najpopularniejsze interfejsy komunikacyjne w tym Ethernet TCP/IP, Profinet oraz Ethernet IP. Dodatkowym atutem jest z pewnością dedykowana wtyczka UR-cup, która powoduje że integracja kamery z tym cobotem jest dziecinnie prosta.
Oprócz wspomnianego łatwego i intuicyjnego interfejsu do innych ważnych zalet systemu, należy także hardware – kamera w obudowie IP65, z wymienialnymi obiektywami oraz oświetlaczami – wszystko po to aby jak najbardziej dopasować sprzęt do wymagań aplikacji.
PLOC-2D to nie jedyny system firmy SICK, który przeznaczony jest do współpracy z robotami. W ofercie Sick znajdziemy także systemy wizyjne 3D takie jak PLB oraz PLR, które potrafią lokalizować elementy nie tylko na jednej płaszczyźnie lecz w zdefiniowanej przestrzeni 3D.
Więcej informacji na stronie: https://www.sick.com/pl/pl/rozwiazania-systemowe/systemy-sterowania-ruchem-robotow/c/g316751
Bezpieczeństwo
Norma ISO 10218-1:2006 określała następujące ograniczenia dla robotów kolaboracyjnych:
- Prędkość TCP do 0.25m/s
- Maksymalna moc 80W lub siła do 150N
Powyższa norma została zaktualizowana w 2011 roku (ISO 10218-1:2011) i aktualnie nie zawiera ograniczenia siły, dopuszczalne jest także stosowanie wyższych prędkości jednak w każdym przypadku obowiązkiem integratora jest dokonanie oceny ryzyka, oraz, jeśli to konieczne, zastosowanie odpowiednich dodatkowych środków bezpieczeństwa (np. skanery laserowe, maty bezpieczeństwa, kurtyny świetlne).
Faktycznie w normie 10218-1:2011, określona została tzw. bezpiecznie zredukowana prędkość wynosząca 250mm/s lub mniej. Jednak nie mam tam mowy, że jest to ograniczenie prędkości dla robotów kolaboracyjnych. Jest to prędkość do której zakłada się że człowiek ma możliwość wycofania się ze strefy niebezpiecznej lub zatrzymania robota (oczywiście wszystko zależy od aplikacji).
Dopuszczalne siły można natomiast znaleźć we wspomnianej specyfikacji technicznej ISO/TS15066 – jako jeden z rodzajów współpracy dopuszczający kontakt pomiędzy robotem i narzędziem a człowiekiem.
Warto myślę też wspomnieć, że norma 10128 składa się z dwóch części. Pierwsza kierowana do producentów, a druga do integratorów. Jest to pewnego rodzaju odzwierciedlenie faktu, że robot jest maszyną nieukończoną, a tym samy inne zadania ma producent a inne integrator.
Roboty i urządzenia dla robotyki – Wymagania bezpieczeństwa dla robotów przemysłowych:
- PN-EN ISO 10218-1:2011 – Część 1: Roboty
- PN-EN ISO 10218-2:2011 – Część 2: System robotowy i integracja
Zachęcam do lektury opracowania o bezpieczeństwie robotów współpracujących:
https://cdn.sick.com/media/docs/5/45/345/Whitepaper_Safe_Robotics_pl_IM0086345.PDFAdam Tupacz, SICK Polska
Jak widać przy zastosowaniu dodatkowych środków ochronnych możliwe jest zwiększenie prędkości pracy robota w trybie produkcyjnym oraz zredukowanie prędkości do bezpiecznego poziomu w trybie kolaboracyjnym. Należy zwrócić uwagę na fakt, że tego typu urządzenia mogą pracować również ze standardowymi robotami przemysłowymi. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu zaawansowanych opcji oprogramowania dostępnych u niemal każdego producenta robotów takich jak SafeMove (ABB), DCS (FANUC), Kuka.SafeOperation etc.
Niemniej jednak urządzenia tego typu podnoszą koszt instalacji, dlatego też w każdym przypadku należy dokonać oceny opłacalności systemu biorąc pod uwagę wymaganą częstotliwość przejścia naszego cobota w tryb kolaboracyjny. Bardzo często okazuję się bowiem, iż bardziej opłacalne jest zastosowanie standardowego robota przemysłowego w sposób tradycyjny.
Szczegółowe wytyczne dotyczące bezpieczeństwa robotów kolaboracyjnych zostały zebrane w standardzie ISO/TS 15066:2016.
sBot Speed
Bardzo częstym wyobrażeniem aplikacji, w której pracuje cobot, to otwarta przestrzeń, do której można wejść i swobodnie przebywać podczas pracy robota, a dodatkowe urządzenia bezpieczeństwa są niepotrzebne. Jednak w praktyce sytuacja ta często wygląda inaczej. Od robota oczekujemy, aby pracował wydajnie, a zatem szybko – to niestety powoduje wzrost ryzyka. Człowiekowi jest bowiem trudniej uniknąć kontaktu z robotem, a ewentualne urazy są poważniejsze. Często też, zapomina się o zagrożeniach wynikających z kształtu narzędzia lub przedmiotu który przenosi robot – np. jego ostrych krawędzi.
Dla zapewnienia bezpieczeństwa konieczne staje się wówczas monitorowanie odległości pomiędzy człowiekiem, a robotem i odpowiednie dostosowywanie prędkości tego drugiego. W tym celu znakomicie nadają się dostępne od lat na rynku skanery bezpieczeństwa. Tylko czy każdy potrafi prawidłowo i bezpiecznie zintegrować go z robotem ?
sBot Speed to seria systemów bezpieczeństwa przygotowana do łatwej integracji z cobotami. Nie ma jednego sposobu komunikacji z robotem. Każdy producent, a nawet robot wymaga specyficznego podejścia. Aktualnie system sBot Speed dostępny jest dla robotów: UR, Yaskawa oraz FANUC. W skład systemu sBot Speed wchodzi: programowalny sterownik bezpieczeństwa, skaner laserowy, program, instrukcja podłączenia i konfiguracji, schematy połączeń, a nawet obliczenia w poziomu bezpieczeństwa w programie SISTEMA.
Skaner laserowy monitoruje obszar przed cobotem, dzieląc go na strefy. Jeżeli żadna ze stref nie jest naruszona, robot może pracować z maksymalną wydajnością (prędkością). Jeżeli człowiek zaczyna podchodzić do robota, lub przechodzi w jego pobliżu – naruszana jest największa strefa monitorowana przez skaner. System wymusza na robocie zmniejszenie prędkości. Jeżeli człowiek będzie zbyt blisko robota, nastąpi jego zatrzymanie. System może automatycznie wznawiać pracę robota po odejściu człowieka. W tym celu monitorujemy sekwencję zwalniania poszczególnych stref w skanerze bezpieczeństwa – upewniamy się że jest to normalny cykl pracy. W przypadku nieprawidłowości, do uruchomienia robota konieczne będzie naciśniecie przycisku Reset.
Systemy sBot Speed umożliwiają zwiększenie wydajności robota, przy jednoczesnym zapewnieniu swobodnego dostępu. Przyśpieszają i ułatwiają prace projektowe, bowiem wraz z systemem dostarczana jest dokumentacja, a instrukcja obsługi prowadzi przez wszystkie zagadnienia, również konfigurację robota.
Rozwój rynku cobotów
Pomimo wielu zalet oraz dużego zainteresowania mediów coboty stanowią zaledwie kilka procent globalnego rynku robotów jednak ilość sprzedanych robotów kolaboracyjnych rośnie w bardzo szybkim tempie – 23% w 2018 roku pod względem ilości sprzedanych jednostek, oraz 56.6% pod względem przychodów.
Niektóre raporty wskazują, że do 2030 roku coboty osiągną około 30% udział w rynku. Co ciekawe największymi graczami w tym sektorze nie są duże firmy takie jak ABB, KUKA czy FANUC lecz stosunkowo niewielkie firmy specjalizujące się wyłącznie w produkcji cobotów (UR, TechMan).
Czas pokaże jaki będzie rzeczywisty rozwój tego sektora rynku. Pewne jest że spadająca cena, rozwój algorytmów sztucznej inteligencji oraz zagadnienia związane z industry 4.0 stwarzają coraz więcej możliwości stosowania tego typu robotów.
