Nowoczesne roboty przejmują coraz więcej zadań
| Temat miesiącaFirmy przemysłowe coraz bardziej odczuwają skutki procesu starzenia się społeczeństw oraz mniejszą dostępność słabiej wykwalifikowanych pracowników, którym można przydzielać zadania powtarzalne i bardziej obciążające fizycznie - jak montaż czy pakowanie - a w związku z tym coraz chętniej inwestują w automatyzację i robotyzację produkcji. Wychodząc naprzeciw tym potrzebom, a także korzystając z najnowszych rozwiązań technicznych, producenci robotów uzupełniają swoją ofertę o nowe typy maszyn. Zaliczyć można do nich roboty współpracujące i drony. W fabrykach i magazynach korzysta się również z wózków AGV.
{PAGEBREAK|Część 1: Pojazdy AGV}Część 1: Pojazdy AGV
Wózki AGV (Automated Guided Vehicles) to bezzałogowe, samojezdne pojazdy wyposażone w napęd elektryczny i zasilane z akumulatorów. W oparciu o nie tworzy się zautomatyzowane systemy transportowe do przewozu ładunków w obrębie zakładów przemysłowych, magazynów i między nimi. Ich ładowność wynosi typowo od kilku kilogramów do kilkuset ton.
W przeciwieństwie do robotów współpracujących czy dronów nie są one nowym wynalazkiem. Pojazdy tego typu są użytkowane już od lat 50. zeszłego wieku. Pierwsze z nich w 1954 roku holowały przyczepy w magazynach spożywczych, zaś w latach 70. w swoich fabrykach zaczęła z nich korzystać firma Volvo. Służyły tam one za ruchome platformy montażowe.
{$in-article-module}Dzięki rozwojowi techniki AGV są jednak sukcesywnie ulepszane. W rezultacie, chociaż są uważane za proste urządzenia, których funkcjonalność ogranicza się do transportu i ewentualnie załadunku / rozładunku towarów, w ostatnich latach w przemyśle i logistyce wciąż zyskują na popularności.
{PAGEBREAK|AGV - typy i zastosowania}AGV - TYPY I ZASTOSOWANIA
Ze względu na sposób transportu wózki samojezdne dzieli się na kilka grup. Jednym z nich jest holowanie.
Pojazdy holownicze mogą jednocześnie ciągnąć wiele przyczep, co jest efektywniejszym rozwiązaniem od przewozu ładunku każdej z nich oddzielnym wózkiem. Najlepiej ten rodzaj pojazdów AGV sprawdza się w transporcie na większych odległościach, na przykład na zewnątrz, pomiędzy budynkami i w rozległych magazynach, długimi korytarzami, dużych ilości towarów. Ich ładowność sięga przeważnie kilkudziesięciu ton.
{$in-article-module}Kolejnym typem pojazdów samojezdnych są wózki pojedynczego załadunku. Ich charakterystyczną cechą jest kompaktowa konstrukcja, mają one bowiem postać platformy, na której umieszcza się ładunek. Najlepiej sprawdzają się w transporcie dużych ilości towarów - ich ładowność sięga przeważnie kilkudziesięciu ton, na krótkich i średnich odległościach. Pojazdy pojedynczego załadunku są zwrotniejsze niż wózki holownicze. Dzięki temu łatwiej manewrują w wąskich przestrzeniach.
Dostępne są też samojezdne wózki widłowe o ładowności zazwyczaj kilku ton. Do transportu drobniejszych ładunków wykorzystuje się natomiast pojazdy AGV o małych rozmiarach oraz udźwigu, za to zwrotne i szybkie. Ich przykładowe zastosowania to: przewóz podzespołów pomiędzy stanowiskami montażu oraz rozdział paczek w centrum logistycznym.
{PAGEBREAK|Przegląd metod nawigacji AGV}PRZEGLĄD METOD NAWIGACJI AGV
Dostępne w Polsce roboty współpracujące oraz AGV
W zakresie sterowania ruchem pojazdów AGV można wyodrębnić kilka głównych zadań. Jednym z nich jest nawigacja, dzięki której wózki podążają z góry wyznaczoną trasą, zoptymalizowaną pod kątem jak najefektywniejszego przepływu ładunków.
{$in-article-module}Wyróżnić można wiele sposobów nawigacji. Przykładowe z nich to metody: pętli indukcyjnej, pętli magnetycznej, optyczna, laserowa, ultradźwiękowa i w oparciu o system GPS.
W pierwszej z nich pod podłogą umieszcza się kabel. Na skutek przepływu prądu elektrycznego dookoła przewodu wytwarzane jest pole magnetyczne. Wózek wyposażony jest z kolei w układ odbiorczy, mierzący jego natężenie. Sterownik koryguje kierunek, w jakim pojazd się porusza, tak aby wartość ta była jak największa.
Metoda nawigacji z wykorzystaniem pętli indukcyjnej ma wiele zalet. Najważniejsze z nich to: duża niezawodność i duża dokładność kierowania pojazdem, odporność na czynniki zewnętrzne, takie jak na przykład zabrudzenia, a w przypadku kiedy pojazd porusza się na zewnątrz budynku, na śnieg czy lód i stosunkowo niski koszt. To ostatnie nie dotyczy niestety sytuacji, w której trzeba zmienić trasę. Ponieważ kable są wbudowane w podłoże, ich usunięcie jest drogie i pracochłonne. Ponadto obecność metalu w podłożu może zakłócić pomiar natężenia pola.
{PAGEBREAK|Jakie są zalety metody pętli magnetycznej?}JAKIE SĄ ZALETY METODY PĘTLI MAGNETYCZNEJ?
W podłogę wbudowuje się również znaczniki, aktywne, które emitują sygnał odbierany przez antenę w wózku albo pasywne, które antena zasila, kiedy pojazd znajduje się nad znacznikiem. Układa się je w rzędy lub w ścieżkę. Zalety i wady tego sposobu nawigacji są analogiczne do metody pętli indukcyjnej.
{$in-article-module}Z kolei w metodzie pętli magnetycznej wykorzystuje się namagnesowaną taśmę, którą nakleja się na podłodze. Jej zaletą jest prosta i niedroga instalacja, a co najważniejsze przebieg trasy można zmodyfikować łatwo i tanio. Niestety, taśma magnetyczna nie jest trwała. Nietrudno także o jej uszkodzenie.
Ścieżkę, po której powinien poruszać się wózek, można także namalować. W tym celu używa się farb refleksyjnych lub maluje linie w kontrastowym kolorze, tzn. ciemne na jasnym podłożu lub jasne na ciemnym. Ich przebieg śledzi kamera zamontowana w pojeździe. Zaletą tej metody jest łatwość modyfikacji trasy, natomiast wadami łatwość zabrudzenia i starcia farby, przez co przy intensywnym użytkowaniu wymagane jest częste czyszczenie ścieżek, a z czasem też ponowne nałożenie farby.
{PAGEBREAK|Nawigacja laserowa}NAWIGACJA LASEROWA
W dotychczas opisanych metodach pojazd podąża trasą wzdłuż ścieżki naniesionej na podłoże. I chociaż nadal można spotkać zautomatyzowane systemy transportu działające w oparciu o zasadę pętli indukcyjnej, w nowszych wózkach AGV częściej korzysta się z innych sposobów.
Jednym z nich jest nawigacja z wykorzystaniem skanera laserowego. Urządzenie to montuje się na dachu kabiny wózka. Skanuje ono pomieszczenie, wykrywając znaczniki zamocowane na ścianach. Do zalet tej metody zalicza się dokładność pozycjonowania oraz łatwość zmodyfikowania trasy. Znaczniki muszą być jednak umieszczone na tej samej wysokości i cały czas znajdować się w zasięgu skanera. Obecnie jest to jedna z popularniejszych metod nawigacji pojazdów AVG.
{$in-article-module}Na podobnej zasadzie, ale bez konieczności mocowania na ścianach znaczników, odbywa się nawigacja z wykorzystaniem sonarów. Następny sposób wymaga z kolei zapisania w pamięci sterownika wózka referencyjnych obrazów pomieszczenia, z którymi później porównywane są te rejestrowane w trakcie jazdy.
Zaletą nawigacji w oparciu o dane z systemu GPS jest natomiast łatwość wdrożenia. Niestety można z niej korzystać tylko na zewnątrz budynków.
{PAGEBREAK|Zarządzanie ruchem}ZARZĄDZANIE RUCHEM
Podążając trasą wytyczoną przez przewód w podłodze, pojazd AGV napotyka często na punkty, w których rozdziela się ona na dwie ścieżki biegnące w różnych kierunkach albo punkty, w których zbiega się kilka tras. Miejsca te są znakowane, na przykład przez zakopanie w nich metalowych znaczników, natomiast poszczególne ścieżki rozróżnia się na podstawie wartości częstotliwości prądu zasilającego podziemny przewód.
Po dotarciu do punktu, w którym trasa się rozdziela, właśnie na podstawie częstotliwości sterownik pojazdu wybiera właściwe rozgałęzienie. W przypadku innych metod nawigacji decyzja ta jest podejmowana na podstawie rozkładu jazdy zapisanego w pamięci sterownika.
{$in-article-module}W zautomatyzowanych systemach transportowych, w których jednocześnie przemieszcza się wiele wózków AGV, wymagane jest zarządzanie ich ruchem. W przeciwnym wypadku będzie dochodzić do kolizji. Można to zrealizować centralnie.
Wtedy to główny system zbiera informacje o położeniu poszczególnych wózków i pilnuje tego, by jednocześnie w jednej strefie nie przebywał więcej niż jeden pojazd. W przypadku decentralizacji pojazdy komunikują się bezpośrednio między sobą. Jeżeli jeden z nich wjeżdża do danej strefy, od razu informację o tym wysyła do innych, które zatrzymują się na jej obrzeżach do czasu uzyskania potwierdzenia, że jest pusta.
AGV w kopalni
Jednym z nich jest flota składająca się obecnie z prawie 70 autonomicznych, bezzałogowych pojazdów transportowych (Autonomous Haulage System). Wyposażono je w liczne czujniki (m.in. radarowe i laserowe). Dane przez nie mierzone są wykorzystywane przez system sztucznej inteligencji, dzięki któremu pojazdy uczą się topografii terenu kopalni. Trasy wywrotek, śledzone dzięki zamontowaniu w nich odbiorników GPS, są też poddawane analizie w centrum sterowania. Pozwala to koordynować ich przemieszczanie się i optymalizować przyszłe ścieżki i parametry ruchu (prędkość). Ponadto ciężarówki wyposażono w autonomiczny system detekcji kolizji. Na podstawie danych z licznych czujników, jeżeli na drodze pojawi się przeszkoda, automatycznie modyfikuje on zadaną trasę pojazdu. Sensory monitorują również stan wywrotki, m.in. ciśnienie w oponach, temperaturę płynów chłodzących, ich ciśnienie, poziom oraz stopień czystości, temperaturę i poziom wibracji łożysk, temperaturę oraz ciśnienie w układzie hamulcowym. Dzięki temu, zamiast angażować personel do wykonywania okresowych przeglądów floty, można przewidywać problemy eksploatacyjne i na bieżąco na nie reagować. W planach firma Rio Tinto ma również realizację autonomicznego systemu sterowania urządzeniami wiertniczymi (Autonomous Drilling Systems) i autonomicznego systemu transportu urobku linią kolejową (AutoHaul). Kopalnie w regionie Pilbara są nadzorowane zdalnie z centrali w Perth. |
{PAGEBREAK|Unikanie kolizji dzięki czujnikom|NEXT}UNIKANIE KOLIZJI DZIĘKI CZUJNIKOM
Ważnym ograniczeniem zarządzania centralnego jest fakt, że w razie awarii głównego systemu zatrzymać trzeba wszystkie pojazdy. W systemie zdecentralizowanym w razie problemów z ruchu wyłączany jest tylko wadliwy wózek.
W przypadku, gdy nie wdrożono systemu zarządzania ruchem, przed zderzeniami pojazdy AGV są chronione przez czujniki, w które się je wyposaża. W tym zakresie korzysta się z sensorów różnego typu, głównie optycznych i ultradźwiękowych. Po wykryciu przez nie przeszkody na drodze wózka jest on zatrzymywany.
{$in-article-module}Ta metoda, w przeciwieństwie do podziału obszaru, po którym przemieszczają się wózki, na strefy, pozwala na to, aby bardziej się do siebie zbliżyły, a zatem pracowały w większym zagęszczeniu. Z drugiej strony, nie sprawdza się ona wówczas, gdy trasy, po których poruszają się pojazdy AGV są gęsto prowadzone i skomplikowane.
Najefektywniejszym rozwiązaniem jest połączenie obu metod. Przykładowo na prostych odcinkach trasy z powodzeniem system detekcji kolizji można oprzeć na pokładowych czujnikach wózków. Z kolei w rejonach, gdzie krzyżuje się wiele ścieżek, warto wprowadzić system zarządzania ruchem z podziałem na strefy.
Dzięki licznym zaletom pojazdy AGV sprawdzają się w różnych warunkach. Jednocześnie trzeba pamiętać o ich ograniczeniach.
{PAGEBREAK|AGV - oszczędność czy wydatek?}AGV - OSZCZĘDNOŚĆ CZY WYDATEK?
Jak każde zautomatyzowane urządzenie, które zastępuje ludzi, pojazdy AGV ograniczają koszty pracy - pracodawca może oszczędzić na stałych wydatkach na pracownika (wynagrodzeniach, ubezpieczeniu). Z drugiej jednak strony koszty te są odczuwalne dopiero po dłuższym czasie, natomiast za zakup takiej maszyny trzeba od razu zapłacić znaczną kwotę pieniędzy.
{$in-article-module}Od możliwości finansowych przedsiębiorstwa zależy zatem, czy bardziej opłaca się ponieść w krótkim czasie niższe koszty zatrudnienia pracownika, czy lepiej uzyskać po dłuższym okresie zwrot z inwestycji w postaci oszczędności. By analiza była pełna, powinno się też uwzględnić koszty regularnych konserwacji, doraźnych napraw i energii zużywanej przez pojazdy AGV.
Kolejną ważną kwestią jest bezpieczeństwo. Wózki samojezdne wyposaża się w czujniki i inne zabezpieczenia i/lub poruszają się one po ustalonych trasach. Dzięki temu nie powinny z założenia stanowić zagrożenia dla personelu ani mienia zakładu.
Jeśli natomiast chodzi o pojazdy kierowane przez ludzi, na przykład wózki widłowe, skuteczność zabezpieczeń, w które są one wyposażane i bezpieczeństwo pracowników i wyposażenia zakładu, które znajdzie się na ich drodze, zależą od reakcji kierującego.
AGV - przykładyAGV typ S0 - nawigacja: magnetyczna lub optyczna, silnik elektryczny, akumulator żelowy, zabezpieczenie: czujnik laserowy, maks. prędkość: 1 m/s, udźwig: 50÷500 kg
AGV LGV z platformami transportowymi÷prędkość: do 2 m/s, udźwig: 250÷1500 kg MOBOT AGV FlatRunner - nawigacja po wyznaczonej ścieżce, masa ciągniętego wózka: do 300 kg, czas pracy: do 12 godzin, komunikacja: Wi-Fi |
{PAGEBREAK|AGV najlepsze do transportu cyklicznego}AGV NAJLEPSZE DO TRANSPORTU CYKLICZNEGO
Ta z kolei z różnych przyczyn, na przykład zmęczenia, złego stanu zdrowia, odwrócenia uwagi kierowcy może być spóźniona albo nieadekwatna do sytuacji. Wówczas o wypadek nietrudno. Warto dodać, że pojazdy AGV mogą pracować w warunkach dla ludzi niebezpiecznych albo negatywnie wpływających na ich wydajność (wysokie temperatury, duże zapylenie, itp.).
{$in-article-module}Zastępując pracowników wózkami bezzałogowymi, ogranicza się także prawdopodobieństwo popełnienia przez nich błędów. Ponadto zautomatyzowanym transportem można centralnie zarządzać z większą efektywnością.
Wózki samojezdne sprawdzają się głównie w transporcie cyklicznym. Jeżeli ten, który chcemy zautomatyzować nie ma takiego charakteru, szybciej i efektywniej będzie jednorazowo albo od czasu do czasu skorzystać z wózka widłowego, którym pokieruje operator.
Trzeba też pamiętać o tym, że wdrażając zautomatyzowany system transportu oparty na pojazdach AGV, które wymagają wbudowania przewodów w podłogę, niełatwo będzie go zmodyfikować. Z drugiej strony, wybierając wózki samojezdne, których trasa jest wyznaczana w sposób nieinwazyjny, zamiast stacjonarnych przenośników, system transportowy można uruchomić i zintegrować z resztą wyposażenia znacznie szybciej i bez ingerowania w rozkład zakładu.
Jacek Ober, dyrektor w firmie WObit
Stoisko firmy WObit na targach Hannover Messe 2017 - Jacek Ober jest drugi od prawej strony
Wykorzystanie wózków samojezdnych wiąże się z wieloma korzyściami. Nie tylko pozwalają one zautomatyzować procesy transportu wewnętrznego, ale przede wszystkim znacznie zwiększyć ich elastyczność. W odróżnieniu od stacjonarnych podajników rolkowych lub taśmociągów te same roboty AGV mogą być wykorzystywane do różnorodnych zadań. Ponadto, po przeprogramowaniu trasy, mogą one przemieszczać się w zupełnie innym otoczeniu. Ich zastosowanie pozwala również lepiej wykorzystać przestrzeń roboczą, gdyż można ją łatwo modyfikować w zależności od potrzeb, a tym samym w szybki sposób dostosowując organizację produkcji do nowych potrzeb. AGV zajmują też o wiele mniej miejsca. W przypadku podajników rolkowych zmiana produkcji wymaga o wiele więcej czasu oraz jest bardzo kosztowna w porównaniu do zaprogramowania nowej trasy dla robota AGV.
Wózki samojezdne, oprócz zastępowania podajników rolkowych, są coraz częściej stosowane zamiast wózków widłowych przewożących detale o znacznie większych masach i rozmiarach. Również tutaj występuje szereg korzyści, gdyż transport za pomocą robotów mobilnych jest bezpieczniejszy, ryzyko uszkodzenia np. paczek przy przekładaniu, odkładaniu jest znacznie mniejsze, a cały proces bardzo przewidywalny. Pozwala to w przejrzysty sposób zaprojektować i zaplanować cykl dostaw w zakładzie produkcyjnym, zarówno w zakresie gospodarki materiałowej, jak i transportu wyrobów gotowych. Dodatkowo wózki AGV są świetnym uzupełnieniem podajników rolkowych w miejscach, w których zabudowa podajnikiem rolkowym koliduje z ciągiem komunikacyjnym lub trasą przejazdu np. wózków widłowych.
Ze względu na zdolność do zdalnej komunikacji z innymi urządzeniami, możliwość integracji z nadrzędnym systemem oraz współpracy z człowiekiem, roboty mobilne AGV stanowią jeden z filarów czwartej rewolucji przemysłowej. Platforma AGV może przenosić nie tylko materiały lub wyroby gotowe, ale również ramiona robotów wieloosiowych. Wreszcie wózek samojezdny może sam stanowić mobilne stanowisko montażowe. Po zintegrowaniu z oprogramowaniem typu SCADA synchronizującym procesy przemysłowe, pojazd AGV staje się częścią inteligentnego organizmu nowoczesnej fabryki.
Najbardziej popularną branżą dla tego typu robotów jest sektor automotive, jednak firmy z innych sektorów przemysłu jak FMCG, drzewny, meblarski czy maszynowy - są również bardzo zainteresowane tego rodzaju automatyzacją. W zasadzie w przypadku wszystkich procesów, gdzie pracownik musi przenosić lub przewozić duże ilości jakiegoś materiału na dużych dystansach, występuje spory potencjał do wdrożenia wózków samojezdnych.
Wdrażanie innowacyjnych rozwiązań w produkcji czy magazynie firmy przenosi tę ostatnią na zupełnie inny poziom konkurencyjności. Mówimy tu o sytuacji, gdzie liczy się wysoka skuteczność, dokładność oraz bezpieczeństwo wykonywanej pracy przy wzroście wydajności, a z czasem też redukcji kosztów. Klienci zastanawiający się nad wdrożeniem AGV najczęściej pytają, w jakim czasie nastąpi zwrot z inwestycji w robota. Jest to oczywiście kwestia indywidualna dla danej firmy i aplikacji, wymagająca rzetelnego zebrania informacji, tych o obecnych procesach, jak i przyszłych planach oraz dobrania najlepszego rozwiązania w oparciu o te dane. Dodam, że pojawia się też niepokój ze strony pracowników związany z możliwa utratą miejsc pracy w przypadku zadań, w których ma ich wspomagać lub po prostu wyręczać robot. Może to rodzić obawy przed sabotażem z ich strony, stąd konieczna jest edukacja mniej wykwalifikowanego personelu oraz możliwość podniesienia kompetencji zawodowych tych osób, tak aby mogły one wykonywać bardziej złożone i trudniejsze do automatyzacji zadania.
Zbigniew Piątek |
{PAGEBREAK|Część 2: Roboty współpracujące|NEXT}Część 2: Roboty współpracujące
Roboty przemysłowe mają liczne zalety. Wiele z nich pokrywa się z tymi wcześniej wymienionymi, które mogą zachęcać do wdrożenia pojazdów AGV. Warto do nich dodać to, że w przeciwieństwie do pracowników, ani roboty przemysłowe, ani wózki samojezdne, nie potrzebują przerw w pracy lub urlopów, dzięki czemu znacząco poprawiają wydajność produkcji.
{$in-article-module}Dodatkową zaletą robotów przemysłowych, w porównaniu do pojazdów AGV, jest rozbudowana funkcjonalność. Przeważnie zastępują one personel zakładów przemysłowych w wykonywaniu czynności z różnych powodów trudnych.
Zazwyczaj są to zadania męczące, na przykład wymagające podnoszenia ciężarów, przebywania przez dłuższy czas w niewygodnej pozycji albo powtarzalne, jak w czasie pakowania i montażu, czynności nieprzyjemne, na przykład z powodu kontaktu z chemikaliami, jak podczas malowania, sklejania czy lakierowania i niebezpieczne, jak cięcie, szlifowanie albo spawanie.
Dzięki temu roboty bezsprzecznie poprawiają bezpieczeństwo pracowników. Z drugiej jednak strony z powodu dużych rozmiarów, wagi, szybkości ruchu i faktu, że poruszają się na dużej przestrzeni wykraczającej poza ich podstawę, równocześnie stanowią zagrożenie dla osób znajdujących się w ich bezpośrednim sąsiedztwie.
{PAGEBREAK|Ludzie i roboty}LUDZIE I ROBOTY
Dlatego roboty przemysłowe pracują na wydzielonych stanowiskach, które oddziela się od reszty zakładu ogrodzeniem z drzwiami lub kurtyną świetlną. Te pierwsze są mniej wygodne, ponieważ trzeba je otwierać i zamykać.
{$in-article-module}Ponadto, jak w przypadku wszystkich mechanicznych rozwiązań, należy liczyć się z ryzykiem ich zużycia się lub zablokowania. Z kolei przekroczenie kurtyny nie wymaga dodatkowych czynności, dzięki czemu jest szybsze. Nie ma w niej też części ruchomych, podatnych na uszkodzenie albo zużywających się.
Dzięki odgrodzeniu personelu zakładu od stanowisk zrobotyzowanych ludzie i maszyny koegzystują, wykonując swoje zadania jednocześnie, lecz w różnych przestrzeniach. Po przekroczeniu dzielącej je bariery robot zostaje automatycznie odłączony od zasilania.
Zabezpieczenie takie jest potrzebne, człowiek bowiem z różnych przyczyn musi się czasem znaleźć w zasięgu robota. Przykładami takich sytuacji są: jego programowanie, interweniowanie w razie jakichkolwiek problemów, konserwacje oraz naprawy. W takim przypadku robot i pracownik wykonują swoje zadania w tej samej przestrzeni, jednak nie dzieje się to w tym samym czasie.
Robot i człowiek razem montują gniazdka elektryczne
Następnie, za pomocą chwytaka podciśnieniowego, robot podnosi elementy zabezpieczenia, w tym sprężyny podawane na specjalnym podajniku, i umieszcza je w pokrywach. Potem przykrywa je osłoną. W kolejnym kroku operator wkłada śruby w pokrywy. Wówczas gniazdka są gotowe do zapakowania. |
{PAGEBREAK|Roboty współpracujące}ROBOTY WSPÓŁPRACUJĄCE
Różne modele pracy ludzi i robotów przemysłowych
Dopóki roboty przemysłowe były postrzegane wyłącznie jako zagrożenie dla pracowników, możliwe były tylko dwa wcześniej opisane modele ich współistnienia w obrębie zakładu. To się jednak w ciągu kilku ostatnich lat zmieniło dzięki pojawieniu się nowego typu maszyn - robotów współpracujących (collaborative robots, corobots, cobots).
{$in-article-module}Ich znakami rozpoznawczymi są m.in.: kompaktowa budowa, lekka konstrukcja, zaokrąglone krawędzie, miękko wykończone powierzchnie, ukryte okablowanie i inne oprzyrządowanie. Ponadto inaczej, niż "zwyczajne" roboty przemysłowe, reagują one na zderzenie z innymi obiektami.
Dzięki implementacji funkcji szybkiego hamowania oraz algorytmów detekcji kolizji w kontrolerze i serwonapędom o małej inercji natychmiast się zatrzymują. Wszystkie powyższe cechy sprawiają, że ludzie wraz z robotami zbudowanymi w ten sposób mogą bezpiecznie, o ile zostaną spełnione dodatkowe warunki, o których piszemy w dalszej części tego artykułu, pracować na jednym stanowisku równocześnie, czyli w tym samym miejscu i w tym samym czasie (tabela 1).
Można tutaj wyróżnić dwa modele współistnienia ludzi i bezpiecznych robotów. W pierwszym operator i maszyna współpracują, dzieląc się obowiązkami w ramach jednego zadania, w drugim zaś wykonują oddzielne czynności, znajdując się jednak w swoim bezpośrednim sąsiedztwie.
{PAGEBREAK|Jakie są zalety współpracy?}JAKIE SĄ ZALETY WSPÓŁPRACY?
Takie połączenie jest korzystne, ponieważ gdy personel zakładu współpracuje z robotami, najlepsze cechy ludzi oraz maszyn mogą się wzajemnie dopełniać. Jeżeli chodzi o te drugie, to bardzo dobrze sprawdzają się w wykonywaniu przede wszystkim czynności powtarzalnych i zadań wymagających dużej precyzji albo użycia dużej siły.
{$in-article-module}Mocną stroną ludzi w porównaniu z robotami są natomiast ich zdolności poznawcze, dzięki którym rozumieją oni zachodzące w ich otoczeniu zmiany oraz są w stanie odpowiednio na nie zareagować i się do nich przystosować.
Z kolei dzięki kreatywności potrafimy podejmować decyzje i rozwiązywać problemy. Jeżeli na przykład w trakcie montażu jakiś element zablokuje się w podajniku, człowiek intuicyjnie będzie wiedział, co należy zrobić, aby móc kontynuować pracę, zaś robot przerwie ją, jedynie ewentualnie sygnalizując problem.
Współpraca ludzi z robotami przy wykonywaniu tego samego zadania pozwala też stopniować poziomy zaangażowania pracownika i maszyny. Dzięki temu można tylko częściowo zautomatyzować zadania, których kompletna robotyzacja jest nieopłacalna albo zbyt skomplikowana.
Aby robot pracujący z człowiekiem w ramach jednego stanowiska nie wyrządził mu krzywdy, projektując go, a później organizując miejsce ich współpracy, trzeba przestrzegać określonych reguł. Zostały one zebrane w kilku standardach.
{$in-article-module}Najnowszym dokumentem, który został przygotowany z myślą o konstruktorach robotów współpracujących oraz integratorach stanowisk z maszynami tego typu jest specyfikacja techniczna ISO/TS 15066. Opracowanie to, nad którym prace trwały od 2010 roku, zostało opublikowane w 2016 roku.
Roboty współpracujące - za i przeciw
Dzięki temu koszt organizacji i integracji takiego stanowiska będzie mniejszy. Będzie je też można zbudować, a potem uruchomić znacznie szybciej niż ma to miejsce w przypadku odizolowanych cel roboczych "zwykłych" robotów przemysłowych. Ponadto programowanie, a dzięki temu i częste przestrajanie, robotów współpracujących jest łatwiejsze, gdyż dzięki funkcji ręcznego prowadzenia nie są w tym celu potrzebni wysoce wykwalifikowani pracownicy, i szybsze. Z drugiej strony ze względów bezpieczeństwa roboty współpracujące pracują znacznie wolniej niż "zwykłe". Czas wykonania zadania może się jeszcze wydłużyć, jeżeli w trakcie maszyna będzie wymagała częstego restartowania po tym, jak zatrzyma się po zetknięciu z człowiekiem. Ponadto roboty współpracujące mają, w porównaniu ze "zwykłymi", mniejszy udźwig, wynoszący maksymalnie kilkadziesiąt kilogramów. Są również mniej odporne na trudne warunki, jakie mogą panować w środowisku przemysłowym. Wybierając robota współpracującego, trzeba też pamiętać o tym, że w zadaniach, w których robot z człowiekiem dzielą się obowiązkami, obecność operatora będzie stale wymagana. |
{PAGEBREAK|Gdzie szukać informacji?}GDZIE SZUKAĆ INFORMACJI?
Zalecenia ISO/TS 15066 powinny być przestrzegane w połączeniu z tymi, które zawarto w dokumentach ISO 10218-1 oraz ISO 10218-2 z 2011 roku, opisujących wymogi bezpieczeństwa dla robotów przemysłowych. Część pierwsza ISO 10218 dotyczy zestawu robot i kontroler, zaś druga systemu robota, czyli poza maszyną także jej końcówki roboczej i obiektu jej działania, który, w zależności od aplikacji, na przykład podnosi, tnie albo spawa.
W dokumentach ISO 10218 i ISO/TS 15066 znaleźć możemy m.in. definicje najważniejszych pojęć. Na przykład współpraca to stan, w którym specjalnie zaprojektowany system robota i operator działają w ramach wspólnej przestrzeni roboczej. Robot współpracujący to z kolei maszyna przeznaczona do bezpośredniej interakcji z człowiekiem w określonym, wspólnym obszarze roboczym.
System robota współpracującego to system, w którym człowiek z robotem zajmują tę samą przestrzeń, w tym samym czasie, zaś system ten działa w trybie automatycznym. Wspólna przestrzeń robocza to natomiast fragment chronionej przestrzeni, w której robot i człowiek wykonują zadania jednocześnie.
{$in-article-module}Warto dodać, że poza miejscem i czasem realizacji, to zadanie, jakie robot wykonuje, decyduje o tym, czy można go zaliczyć do robotów współpracujących, bezpiecznych dla współpracowników, a nie sama maszyna jako taka. Na przykład jeżeli robot, w konstrukcji którego zastosowano specjalne rozwiązania, dzięki którym nie zagraża on operatorowi, będzie się na danym stanowisku posługiwał nożem albo innym niebezpiecznym narzędziem, powinien zostać mimo wszystko odseparowany od ludzi.
Roboty współpracujące - przykłady
|
{PAGEBREAK|Bezpieczny stop|NEXT}BEZPIECZNY STOP
Poza definicjami w wyżej wymienionych dokumentach znajdziemy też: charakterystykę systemów sterowania związanych z bezpieczeństwem i opis czynników, które powinno się wziąć pod uwagę, organizując stanowisko pracy z robotami współpracującymi i kolejnych kroków w ich realizacji.
W ISO/TS 15066 wyjaśniono oprócz tego, jak zbudować system robota współpracującego z wykorzystaniem czterech technik. Można wdrażać je niezależnie lub łącznie, w dowolnych kombinacjach.
Pierwszą z nich jest bezpieczny stop (safety-rated monitored stop). Funkcja ta powinna zapewnić automatyczne zatrzymanie się robota bez odłączania go od zasilania w momencie, gdy operator znajdzie się w ich wspólnej przestrzeni roboczej.
{$in-article-module}W tym celu w napędzie robota zaimplementować należy, zamiast funkcji bezpiecznego wyłączenia momentu albo bezpiecznego stopu kategorii 1, jak ma to miejsce w przypadku "zwykłych" robotów przemysłowych, bezpieczny stop kategorii drugiej. Jest to funkcja dwuetapowa.
Po jej aktywowaniu silnik zostaje w określonym czasie wyhamowany, a następnie inicjowana jest funkcja bezpiecznego zatrzymania pracy. Zasilanie napędu silnika nie jest wówczas wyłączane, co podtrzymuje moment obrotowy. W rezultacie silnik zostaje unieruchomiony w określonej pozycji. Przez czas działania tego zabezpieczenia położenie to jest monitorowane i odpowiednio utrzymywane przez sterownik napędu.
{PAGEBREAK|Pozostałe funkcje}POZOSTAŁE FUNKCJE
Bezpieczny stop kategorii 2 gwarantuje szybkie zatrzymanie silnika. Równocześnie dzięki temu, że zasilanie nie jest odłączane, restart silnika, gdy tylko operator opuści wspólną przestrzeń roboczą, jest szybszy. Przykładowe zastosowanie tej funkcji to dostarczenie na stanowisko elementów do zmontowania, a potem zabranie z niego gotowych produktów.
Pozostałe techniki to: monitorowanie prędkości i separacji (speed and separation monitoring), ograniczanie siły (power and force limiting) oraz ręczne prowadzenie ramienia robota przez operatora (hand guiding), na którym spoczywa wówczas odpowiedzialność za to, by robot nie zrobił mu krzywdy ani by nie zniszczył nic w swoim otoczeniu. Ostatnia funkcja sprawdza się m.in. w zadaniach o dużej zmienności.
{$in-article-module}Z kolei w przypadku pierwszej, w przeciwieństwie do bezpiecznego stopu, operator i robot mogą się poruszać, jednocześnie przebywając we wspólnej przestrzeni roboczej w tym samym czasie. Im jednak mniejszy będzie dzielący je dystans, tym bardziej robot będzie zwalniał. Gdy przekroczona zostanie odległość graniczna, maszyna się zatrzyma. Żeby zrealizować funkcję monitorowania prędkości i separacji, robota albo stanowisko należy wyposażyć w czujniki zbliżeniowe.
W przypadku drugiej funkcji robot i operator, przebywając we wspólnej przestrzeni roboczej, mogą się jednocześnie poruszać, a co więcej, dopuszczalny jest kontakt między nimi, przypadkowy i celowy. Aby przy tej okazji maszyna nie wyrządziła człowiekowi krzywdy, siła, z jaką oddziałuje ona na obiekt, z którym się zderza, musi być ograniczona do bezpiecznego poziomu.
|
Daniel Niepsuj{PAGEBREAK|Ograniczanie siły}OGRANICZANIE SIŁY
Za wartości odniesienia w tym zakresie mogą posłużyć wyniki badań, w których określono próg czucia bólu w przypadku, gdy jakaś część ciała zostanie ściśnięta z jednej strony przez ruchomą część systemu robota, a z drugiej strony przez nieruchomą lub ruchomą część stanowiska (quasi-static contact) oraz wtedy, kiedy kontakt jest przejściowy, a dotknięta część ciała nie zostaje zablokowana (transient contact). Można je znaleźć w załączniku do dokumentu ISO/TS 15066.
Wymagane też jest, żeby ani robot, ani jego końcówka robocza, ani obiekt, na który oddziałuje, nie miały nigdy styczności z głową ani szyją operatora. Oprócz tego, żeby złagodzić skutki kontaktu, w konstrukcji robotów stosuje się wspomniane wcześniej rozwiązania, jak na przykład wykonanie elementów robota z lekkich materiałów, miękkie wykończenie ich powierzchni i brak ostrych krawędzi.
{$in-article-module}Dzięki tym ostatnim mniejsze jest prawdopodobieństwo, że przy kontakcie kogoś skaleczą. Ponadto zaokrąglenia rozpraszają siłę uderzenia na większej powierzchni, co zmniejsza nacisk wywierany na obiekt, z którym doszło do kolizji. Niektóre roboty współpracujące wyposaża się również w amortyzowane osłony, absorbujące wstrząsy i zmniejszające oddziaływanie maszyny na ciało człowieka podczas jej hamowania.
Roboty i ludzie współpracują na linii produkcyjnej silników
Zadanie robota polega na wyjęciu z osłon świec żarowych, a następnie umieszczeniu ich w otworach. Pracownik, z którym współpracuje, jest natomiast odpowiedzialny za przymocowanie świec oraz izolację głowicy cylindra. |
{PAGEBREAK|Analiza ryzyka jest nadal konieczna}ANALIZA RYZYKA JEST NADAL KONIECZNA
Funkcje robotów współpracujących
Jak wspomnieliśmy wcześniej, choć w danym robocie jego producent mógł zaimplementować wyżej opisane funkcje bezpieczeństwa, nie oznacza to automatycznie, że ta maszyna może bez zastosowania dodatkowych środków ochrony współpracować z człowiekiem przy wykonywaniu każdego zadania. Dlatego obowiązkiem integratora systemu jest przeanalizowanie związanego z tym ryzyka.
Ocena prawdopodobieństwa wystąpienia sytuacji zagrażającej zdrowiu i/lub życiu operatora musi uwzględniać szereg czynników specyficznych dla danej czynności. Ważne są też warunki panujące na stanowisku, na którym będzie ona realizowana.
Wśród kwestii, które trzeba doprecyzować, jest m.in. to, jak długo operator będzie przebywał we wspólnej z robotem przestrzeni roboczej oraz jak często będzie przekraczał jej granice. Istotne jest również to, jak często i jak długo będzie on miał bezpośredni kontakt z tą maszyną. Na sprawność zadziałania zabezpieczeń, zwłaszcza tych aktywowanych obecnością obsługi na stanowisku może mieć z kolei wpływ to, ile osób będzie na nim pracowało.
{$in-article-module}
Łukasz Szczepkowski, kierownik regionalny ds. sprzedaży w KUKA Robotics |
{PAGEBREAK|Różne scenariusze|NEXT}RÓŻNE SCENARIUSZE
Poważnym zagrożeniem są m.in. wysokie temperatury. Takie występują na przykład na stanowisku klejenia, na którym robot operuje pistoletem z gorącym klejem. Żeby uniknąć poparzenia, warto w takim przypadku zastosować osłony lub zapewnić bezpieczną odległość, tak aby operator nie miał kontaktu z nagrzanymi powierzchniami.
Trzeba także przewidzieć sytuację, w której po zatrzymaniu się robota operator dalej będzie się przemieszczał w jego kierunku. Może to być groźne, jeżeli maszyna wyposażona jest w ostre narzędzie. Ponadto rozmiar i/lub kształt końcówki roboczej mogą zafałszowywać rzeczywistą odległość, jaka dzieli operatora i robota.
Potencjalnie niebezpieczną sytuacją jest też upuszczenie obiektu obróbki, jeśli może on spowodować zranienie operatora. Trzeba w takim przypadku zastosować dodatkowe zabezpieczenia, które temu zapobiegną.
Należy ponadto sprawdzić, czy w jakiejś pozycji operator jest bardziej zagrożony niż w innych. Uwzględnić trzeba różne niespodziewane zdarzenia, jak na przykład konieczność podniesienia czegoś z podłogi, zmęczenie pracownika, powodujące spadek jego koncentracji, zasłabnięcie, poślizgnięcie się, czy odwrócenie jego uwagi.
{$in-article-module}Upewnić się należy również, czy wyposażenie ochronne, takie jak rękawice, kombinezon czy okulary, nie krępują ruchów operatora lub nie ograniczają jego pola widzenia, przez co jest on bardziej narażony na zranienie przez robota.
O zmianie w przepisach i robotyzacji produkcji rozmawiamy z Marcinem Gwoździem, menedżerem ds. rozwoju sprzedaży Universal Robots w Polsce |
{PAGEBREAK|Jeszcze trudniejszy wybór|NEXT}JESZCZE TRUDNIEJSZY WYBÓR
Tematy numerów w kolejnych miesiącach
Wybór robota przemysłowego nigdy nie był łatwą decyzją. Z jednej strony szeroki asortyment maszyn, jaki w swoich ofertach mają producenci, pozwala na wyszukanie robota, który będzie najodpowiedniejszy do potrzeb danego zakładu przemysłowego, linii produkcyjnej, czy zadania, które ma on zautomatyzować. Z drugiej strony ich określenie wymaga dogłębnej analizy, która ze względu na długoterminowość takiej inwestycji powinna przewidywać też przyszłe potrzeby.
Podjęcia decyzji nie ułatwia również to, że ze względu na duże koszty zakupu robota oczekuje się, że ten wydatek jak najszybciej się zwróci. Niestety, jeżeli w przypadku niedopasowania możliwości maszyny do wymagań aplikacji nie przyniesie ona spodziewanych zysków, a tym bardziej jeżeli będzie generować straty, gdy na przykład z powodu przeciążenia robota o za małej wydajności konieczne będą jego częste naprawy, taka nietrafiona inwestycja może się nigdy nie zwrócić.
Wraz z pojawieniem się w sprzedaży robotów współpracujących problem ten się pogłębił. Obecnie trzeba już nie tylko zdecydować, jaki model robota przemysłowego kupić, ale czy ma to być "zwykła" maszyna, czy robot współpracujący. Przed podjęciem decyzji warto zestawić ze sobą zalety i wady tych maszyn. Taką analizę przedstawiamy w ramce.
{$in-article-module}
Roboty mobilne jako rozwiązanie trudności dotyczących dostosowywania produkcji |
  |
Czujnik LIDAR zapewnia podczas pracy robotowi AIV kąt widzenia o zakresie 220°, co umożliwia bezpieczne unikanie przeszkód na drodze oraz dostosowywanie prędkości w czasie rzeczywistym odpowiednio do otoczenia. Pionowe czujniki LIDAR po obu stronach robota spełniają funkcję uzupełniającą wobec czujnika głównego.
Sprawdzają one, czy na drodze nie ma obiektów lub plam płynów, które mogłyby przeszkodzić w pracy robota AIV, a także monitorują przestrzeń znajdującą się powyżej pod kątem obiektów, takich jak widły wózka widłowego lub wysunięte komory elementów infrastruktury zakładu.
- Nie istnieje uniwersalne rozwiązanie do wszystkich zastosowań - czy robota AIV da się dostosować do określonych wymagań?
To prawda. Jako przykład przyjrzyjmy się robotom AIV Omron LD - można je skonfigurować na różne sposoby. Podstawa AIV pozostaje bez zmian, jednak górną sekcję można zmodyfikować zależnie od zastosowania. Dostępne są trzy warianty bazowe - platforma, przenośnik i transporter wózków.
  |
Roboty AIV z platformą działają półautonomicznie i wymagają ręcznego załadunku oraz rozładunku. Można je również modyfikować. W jednym z zastosowań w branży medycznej na robocie AIV znajdowała się zamknięta komora służąca do transportowania po zakładzie substancji objętych ograniczeniami. Roboty AIV funkcjonujące w charakterze przenośników i transporterów wózków działają w pełni autonomicznie.
Przykładowo pojazd AIV z górną sekcją przenośnikową komunikuje się z maszyną poprzez Wi-Fi lub przekaźnik optyczny, aby potwierdzić osiągnięcie odpowiedniego położenia, po czym odpowiedni przenośnik przeprowadza załadunek lub rozładunek pojemników.
Poza tym integratorzy opracowują nowe warianty, takie jak przenośniki ładowane z przodu lub z boku, przenośniki podwójne, maszyny wykorzystujące rolki lub taśmy oraz wiele innych.
- Co przyniesie przyszłość w obszarze robotów mobilnych?
Następna generacja robotów AIV wiąże się z koniecznością rozwiązania kolejnych problemów. Aby było możliwe ich wykorzystywanie w złożonych, niezwykle specyficznych środowiskach, pojazdy te będą musiały wykonywać obliczenia niezwykle skomplikowanych trajektorii z uwzględnieniem własnego kształtu wraz z ładunkiem. Pozwoli to na uniknięcie zablokowania np. podczas pokonywania ostrych zakrętów. Nawet niewielkie udoskonalenia modułu przetwarzania trajektorii mogą oznaczać ogromny wzrost wydajności, ponieważ cała flota zyska na sprawności poruszania.
Kolejnym elementem wymagającym poprawy jest ładowność robotów AIV. Obecnie największy model, Omron LD, jest w stanie transportować 130 kg, co wystarcza w większości zastosowań. Jednak niektórzy klienci, np. z branży motoryzacyjnej lub branży napojów, będą potrzebować pojazdów o większej ładowności. Większe roboty AIV podlegają większej liczbie przepisów oraz napotykają więcej trudności związanych z bezpieczeństwem. Z czasem z pewnością uda się je przezwyciężyć.
 |
Kolejne generacje oprogramowania do zarządzania flotą z pewnością będą obsługiwać bardziej złożone procesy produkcyjne. Jednak obecnie program funkcjonuje jedynie poprzez reagowanie na stan linii produkcyjnej, w związku z czym robot musi czekać na informację o ładunku gotowym do odbioru. Kolejne wersje oprogramowania umożliwią sprawniejszy przebieg tej procedury.
Program obliczy czynności wymagane do wykonania przez robota AIV lub zapewni jego gotowość w momencie kończenia procedury. Przyczyni się to do zapewnienia jeszcze większej wydajności, a zarazem wydłuży czas pracy robota.
Pojawią się również nowe funkcje przydatne w różnych zastosowaniach. Przykładowo systemy RFID lub czytniki kodów kreskowych zwiększyłyby "inteligencję" robotów AIV, zapewniając im możliwość wykonywania większej liczby zadań w magazynach.
Omron Electronics
industrial.omron.eu
Zbigniew Piątek
