Zaawansowane rozwiązania sensoryczne na stanowiskach zrobotyzowanych

Obserwując świat, w którym żyjemy, trudno sobie wyobrazić jakiekolwiek nowoczesne urządzenie niewykorzystujące różnego rodzaju czujników do zbierania informacji z otoczenia. Przyzwyczailiśmy się do poszerzania swojej percepcji za pośrednictwem sztucznych narządów sensorycznych i takich samych cech oczekujemy od urządzeń, które nas otaczają.

Linia produkcyjna samochodu Ford T w roku 1908 oraz linia produkcyjna General Motors wykorzystująca pierwszy robot Unimate w 1970

Historia jednak polega na tym, że nic nie następuje samoz siebie, ale jest następstwem wcześniejszych zjawisk i podobnie jest, jeśli chodzi o robotykę. Rozwój robotyki przebiega podobnie, jak miało to miejsce w przypadku motoryzacji. Na samym początku dominowały proste funkcjonalne rozwiązania, które pozwalały na zaspokojenie oczekiwań pierwszych użytkowników. Dziś jednak w każdym samochodzie wyjeżdżającym z fabryki znajdziemy mnustwo systemów i sensorów monitorujących zarówno stan wewnętrzny podzespołów pojazdu, jak i stan otoczenia. Podobnie jest z robotami przemysłowymi. Gdy pojawił się pierwszy robot Unimate w zakładach General Motors w 1970 r., nikt nie oczekiwał od niego zaawansowanych funkcji, a jedynie przenoszenia elementów z jednego miejsca w drugie. Obecnej oczekiwania klientów w zakresie możliwości i parametrów robotów rosną, a producenci prześcigają się w dodawaniu nowych funkcjonalności pozwalających na sprostanie nowym wymogom rynku.

Rozwiązania sensoryczne występujące w obrębie samego robota, jak również stanowiska zrobotyzowanego, można podzielić na rozwiązania nakierowane na:

  • zbieranie informacji o stanie wewnętrznym robota,
  • zbieranie informacji o stanie środowiska i procesu realizowanego przez robota.

Obydwie grupy rozwiązań często  wzajemnie się uzupełniają, realizując np. pomiar położenia obiektu w przestrzeni roboczej za pośrednictwem robota wyposażonego w narzędzie na podstawie pomiaru parametrów pracy napędów robota. Tego typu rozwiązania pozwalają z jednej strony na znaczne obniżenie kosztów dzięki integracji systemów, zaś z drugiej ułatwiają obsługę, ponieważ mnożenie elementów dublujących swoje funkcje prowadzi jedynie do powielania potencjalnych punktów mogących stanowić źródło problemu.

Obecnie stosowane rozwiązania zrobotyzowanych stanowisk produkcyjnych bazują na rozwiązaniach dostępnych u niemal wszystkich producentów robotów, pozwalających na wspomaganie realizacji procesów technologicznych. Chodzi o wykorzystanie bieżących informacji o parametrach pracy napędów robota, jak również parametrach procesu technologicznego, co znalazło najszersze odzwierciedlenie w aplikacjach spawalniczych. Bardzo często okazuje się jednak, że w pewnych specyficznych warunkach istnieje potrzeba takiej rozbudowy możliwości robota, aby nabył on niejako pewnego rodzaju inteligencji, polegającej na umiejętności dostosowania parametrów procesu do zmieniających się warunków otoczenia. Aby było to możliwe, konieczne jest poszerzenie zakresu percepcji sensorycznej stanowiącej podstawę działania robota. Oczywiście nie będzie on sam podejmował wszelkich decyzji, jednak będzie w stanie w sposób optymalny dostosować się do niedoskonałości środowiska i materiałów czy elementów, na których przyjdzie mu pracować. Nie zwalnia to nas również z konieczności napisania programu na robota realizującego konkretne zadanie, jednak pozwala na zachowanie elastyczności pozycjonowania elementów przy zachowaniu wysokiej jakości produktów, co w klasycznych rozwiązaniach stosowanych jeszcze do niedawna wymagało zapewnienia wysokiej precyzji prefabrykatów, jak również precyzyjnego pozycjonowania elementów poddawanych operacjom pobierania, układania, montażu czy spawania. To z kolei wymagało opracowania drogich, dedykowanych rozwiązań, które w przypadku produkcji małoseryjnej były często nieopłacalne.

W zależności od postawionego w procesie technologicznym zadania, istnieje możliwość zastosowania różnych typów czujników w zależności od oczekiwanych wyników i istniejących warunków, w jakich realizowanyjest proces. Niezależnie od tego elementy sensoryczne występujące w stanowiskach zrobotyzowanych można podzielić na elementy rejestrujące dane dotyczące robota i realizowanego procesu technologicznego, elementy rejestrujące dane niezbędne do działania systemu bezpieczeństwa oraz elementy monitorujące w sposób niezależny dane dotyczące stanu parametrów elementów robota w celu zapobieżenia potencjalnym uszkodzeniom (pomiar parametrów, których odchyłki mogą oznaczać niebezpieczeństwo wystąpienia awarii w przyszłości).

Z fizycznego punktu widzenia czujniki wykorzystywane w zrobotyzowanych komórkach roboczych możnapodzielić na kontaktowe i bezkontaktowe. Do pierwszej grupy zaliczane są rozwiązania bazujące albo na czujnikach siły montowanych w specjalnych głowicach instalowanych na kiści robota i mających charakter modułu pośredniego pomiędzy robotem a narzędziem lub też czujnikach zintegrowanych z poszczególnymi osiami robota. Innym rozwiązaniem zaliczającym się do tej grupy jest zastosowanie jako elementu pomiarowego czujników tensometrycznych na chwytaku, czy też elektrody w przypadku procesu spawania. Podłączając napięcie i badając przepływ prądu na styku elektrody i spawanych powierzchni, można określić położenie  elementów spawanych i na tej podstawie korygować trajektorię spawania.

Do drugiej grupy możemy zaliczyć wszelkiego rodzaju rozwiązania wykorzystujące systemy wizyjne, jak również głowice z czujnikami indukcyjnymi czy ultradźwiękowymi. Coraz częściej czujniki ultradźwiękowe pełnią rolę układów dostarczających wstępnej informacji o trzecim wymiarze i wykrywających potencjalną kolizję przy podejściu narzędzia, zaś dokładny pomiar realizowany jest w oparciu o pomiar przy wykorzystaniu metod laserowych lub też bezpośredniego kontaktu. Liderem wszelkiego rodzaju pomiarów i źródeł informacji dla robota są jednak systemy wizyjne. Rola systemów wizyjnych wydaje się rosnąć z roku na rok, co jest związane z rosnącymi możliwościami tego typu systemów oraz malejącymi kosztami. W chwili obecnej systemy wizyjne wykorzystywane są zarówno w operacjach sortowania, pakowania, paletyzacji, montażu i inspekcji wizyjnej, jak również coraz szerzej w procesie spawania. Pozwalają one z jednej strony często zredukować czas trwania procesu technologicznego, a z drugiej charakteryzują się dużą elastycznością i odpornością na uszkodzenie. Najczęściej systemy wizyjne wykorzystuje się do odnajdywania i pozycjonowania elementów poddawanych dalszej obróbce, również do śledzenia elementów na taśmie produkcyjnej. Rozwiązania takie doczekały się już firmowej integracji z robotami, jak ma to miejsce w przypadku systemu iRVision firmy Fanuc. W bardziej złożonych przypadkach proste systemy wizyjne 2D (x, y, Rz) muszą być rozbudowywane do 2½D (x, y, z, Rz) lub 3D (x, y, z, Rx, Ry, Rz), co wymaga często  integracji z dodatkowym źródłem oświetlenia w postaci wiązki laserowej. Rozwiązania tego typu wykorzystują od jednej do trzech wiązek laserowych, pozwalających przy współpracy z kamerą na uzyskanie trzeciego wymiaru. W przypadku głowic wyposażonych w trzy wiązki laserowe mamy możliwość bardzo precyzyjnego pomiaru położenia obiektów w przestrzeni roboczej. W chwili obecnej większość rozwiązań zrobotyzowanych bazuje na systemach wizyjnych firm trzecich i niekwestionowanym liderem na rynku pozostaje firma Cognex, posiadająca opracowane interfejsy pozwalające na łatwą i szybką integrację systemu wizyjnego z robotamigłównych producentów robotów.
Istnieją jednak firmy, takie jak ABB czy Fanuc, które mogą poszczycić się własnymi systemami. W przypadku firmy Fanuc jest to wspomniany system iRVision obsługujący pełen zakres od 2D do 3D, zaś w przypadku ABB – TrueView.
Aplikacje wykorzystujące tego typu rozwiązania stosowane są między innymi w procesie zrobotyzowanego spawania i montażu, gdzie występuje częsta zmiana wszystkich trzech wymiarów charakteryzujących położenie elementów obrabianych, czy też manipulowanych w przestrzeni.

Innym podziałem, którego można dokonać, jest podział na czujniki, a właściwie rozwiązania stanowiące integralną część robota, jak również rozwiązania wymagające integracji z dodatkowymi modułami dedykowanymi do konkretnego procesu, jak ma to miejsce w przypadku procesu spawania, podczas którego część informacji pochodzi bezpośrednio z modułu realizującego proces spawania. W tego typu rozwiązaniach rolę układu sensorycznego pełni głowica spawalnicza wyposażona w dodatkowe elementy, takie jak wskaźnik laserowy i kamera lub też sam palnik i łuk spawalniczy.

Przykładami tego typu rozwiązań są m.in. Real Time Path Modulation firmy Kawasaki Robotics, Through Arc Seam Tracking firmy FANUC Robotics, czy też Advanced Weld Control firmy ABB Robotics. Rejestracja parametrów prądowych podczas procesu spawania pozwala na pozycjonowanie palnika w sposób zapewniający najlepszą jakość połączenia, zaś takie rozwiązania jak np. Touch sensing pozwalają na wcześniejsze określenie położenia elementów poddawanych spawaniu. Touch sensing należy jednak do grupy rozwiązań znajdujących znacznie szersze zastosowanie niż tylko w procesie spawania. Wszystkie one bazują na pomiarze parametrów pracy napędów lub też siły nacisku występującej na kiści robota, a mierzonej przez specjalne adaptery. Tego typu rozwiązania znajdują szerokie zastosowanie w operacjach montażu i obróbki mechanicznej, gdzie istnieje konieczność zdjęcia warstwy materiału czy dopasowania elementów podlegających współdziałaniu (montaż przekładni zębatych). Podobnie jak miało to miejsce w przypadku procesu spawania, również tutaj wiele firm oferuje bardzo zbliżone rozwiązania. W przypadku firmy Fanuc Robotics mamy system Softfloat, firma Kawasaki oferuje  Soft Absorber zaś ABB Robotics Force Control Machining.

Systemy sensoryczne wkroczyły również w jeszcze jeden ważny obszar stanowisk zrobotyzowanych, a mianowicie w systemy bezpieczeństwa. Nie chodzi tutaj jednak o wszelkiego rodzaju bariery świetlne czy maty bezpieczeństwa, które są stosowane od bardzo dawna, ale o rozwiązania implementujące własne czujniki serwomotorów robota i wykorzystujące pochodzące z tych czujników informacje w celu zapewnienia bezpieczeństwa na stanowiskach zrobotyzowanych.
Dotychczasowe rozwiązania bazujące na nadrzędnych systemach bezpieczeństwa, w których robot był jedynie elementem wpinanym w system i podlegającym wyłączeniu w przypadku zaistnienia sytuacji niebezpiecznej, charakteryzowały się dużą ilością elementów bezpieczeństwa oraz koniecznością zachowania rygorystycznych stref bezpieczeństwa w stanowiskach zrobotyzowanych. Nowe podejście wykorzystuje informacje o położeniu poszczególnych osi robota oraz TCP i pozwala z jednej strony zmniejszyć powierzchnię stref bezpieczeństwa, a z drugiej pozwala na dynamiczne zarządzanie strefami, ich aktywację lub dezaktywację w trakcie pracy robota w zależności od aktualnej przestrzeni pracy robota. Przykładami tego typu rozwiązań są rozwiązania opracowane i implementowane w systemach robotyki przez takie firmy, jak ABB (SafeMove), FANUC (Dual Check Safety) i KUKA Robotics (Safe Operation). Jeszcze dalej idą rozwiązania, które wykorzystują informację o obecności człowieka w strefie pracy robota i na podstawie tego optymalizują realizowaną przez robota trajektorię w sposób zapewniający bezpieczeństwo. Przykładem może być system opracowany przez Japan’s National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), który w sposób elastyczny dostosowuje parametry pracy robota w przypadku znalezienia się człowieka w przestrzeni roboczej. Kierunki rozwoju tego typu systemów związane są z aktualnymi trendami charakteryzującymi się zawężeniem przestrzeni, w jakiej współpracują robot i człowiek. Aby rozwiązania takie były możliwe, konieczne jest jednak wyposażenie stanowisk w odpowiednie sensory, jak również zapewnienie możliwości rejestracji i wykorzystania zebranej informacji w czasie rzeczywistym.

Nowym trendem rodzącym się w robotyce jest wprowadzenie zdalnego monitoringu i diagnostyki robota w trakcie jego normalnej eksploatacji. Bardzo często awaria robota prowadzi do niezamierzonego przestoju na linii produkcyjnej, co bezpośrednio przekłada się na powstające w przedsiębiorstwie straty. Rozwiązaniem może się okazać zastosowanie układów sensorycznych badających parametry pracy zarówno napędów manipulatora i przekładni (pomiar drgań i temperatury podzespołów), jak również dokładności pozycjonowania jednostki mechanicznej. Informacja o tego typu zdarzeniach, anomaliach, jak nadmierna temperatura napędów czy przekładni, przekazywane są siecią do systemu monitorującego, co pozwala na podjęcie działań prewencyjnych nim będzie za późno. Rozwiązania tego typu mogą mieć zarówno charakter rozwiązań zintegrowanych w przypadku nowych robotów, czy też opcjonalnych modułów pomiarowych montowanych na monitorowanych podzespołach robota.

Dążąc do uelastyczniania procesów produkcyjnych, pozostaje jednak mieć nadzieję, że dalszy rozwój rozwiązań związanych z optymalizacją procesów zrobotyzowanych, a bazujący na rozbudowanych systemach sensorycznych, będzie miał przebieg optymalny z punktu widzenia użytkowników. Łatwo jest bowiem doprowadzić do tzw. ergonomii jeża, gdzie liczba opcji dostępnych i wymagających konfiguracji na robocie będzie tak duża, że nie starczy nam sił, wiedzy i pieniędzy, aby uruchomić nawet to, co dziś wydaje się czymś bardzo prostym.
 
CE