< Previous90AUTOMATYKA H# Konwencjonalne roboty przemysłowe (ang. conventional industry-robots, niem. herkömmliche Industrieroboter) – współcześnie najpowszechniej wykorzystywana podklasa robotów, zapewniająca robotyzację maszyn, stanowisk i pro-cesów produkcyjnych w przemysłach – tylko przypomina-jąc kolejno o ich znaczeniu aplikacyjnym: samochodowym i maszyn roboczych, mechatronicznym i elektromaszyno-wym, w tym sprzętu AGD, technik informacyjnych i teleko-munikacyjnych, obrabiarkowym i narzędziowym, hutniczym, przetwórstwa tworzyw sztucznych i gumy, także opakowań, wytwórczym napojów i produktów spożywczych, farmaceu-tycznym, kosmetycznym i medycznym, przetwórstwa drew-na, chemicznym, papierowym i drukarskim, budowlanym, także budowy urządzeń i maszyn odnawialnej energii. Charakterystycznym rozwiązaniem konstrukcyjnym mechanizmów współczesnych robotów przemysłowych jest struktura szeregowa (nazywana także łańcuchową) członów kinematycznych, realizujących ruchy wzajemnie obrotowe, podzielonych na dwie grupy: trzech członów regionalnych o strukturze {CR, BR1, BR2} – zapewniających osiągnięcie przez efektor zadanego położenia w przestrzeni manipu-lacyjnej maszyny oraz jednego, dwóch lub trzech członów lokalnych – zapewniających orientację efektora maszyny. Zapewnia to łącznie cztery, pięć lub sześć stopni ruchliwości mechanizmu i odpowiednią liczbę stopni swobody efekto-ra, a więc w przypadku mechanizmu z sześcioma członami praktycznie dowolne, swobodne ułożenie efektora w prze-strzeni roboczej mechanizmu maszyny. Ograniczenia liczby ruchliwości mechanizmu są następstwem proponowanych przez producenta obszarów aplikacji danej maszyny i chęci zmniejszenia jej kosztu.Stosowane są w zasadzie tylko dwa rozwiązania kinema-tyczne grupy lokalnej – w przypadku trzech członów są to struktury: {AL1, BL, AL2} i {CL, BL, AL}, w sytuacji ograniczeń ruchliwości mechanizmu ostatnim, przed efektorem, jest z reguły człon AL, zapewniający obrót efektora po osi kon-strukcyjnej tego członu i najczęściej po osi konstrukcyjnej także trzeciego, ostatniego przed grupą lokalną, członu regio-nalnego, czyli BR2. Ułatwia to operatorowi maszyny progra-mowanie trajektorii ruchu efektora, dokładniej bieżącego położenia centralnego punktu narzędzia, czyli TCP (ang. Tool Center Point, niem. Pose, także TCP) oraz wektora podejścia efektora do przedmiotu manipulacji lub obróbki.Od końca lat 90. XX wieku upowszechnia się w budowie mechanizmów robotów przemysłowych stosowanie elek-trycznych serwonapędów silnikowych prądu przemiennego – dzięki wprowadzeniu nowych, neodymowych materiałów magnetycznych – stąd absolutna przewaga ruchu obroto-wego i podanych struktur kinematycznych. Serwonapędy elektryczne, ale prądu stałego, były zastosowane w roboty-ce po raz pierwszy w 1974 r. przez szwedzką firmę ASEA, wcześniej wyłącznie i nadal później, powyżej obciążalno-ści 60 kg stosowano serwonapędy siłownikowe i silnikowe elektrohydrauliczne. Ich zaletą była bardzo duża, zwłaszcza silników hydraulicznych, wydajność energetyczna w odnie-sieniu do masy i objętości silnika, stąd można było dołączyć do każdego członu mechanizmu jego własny napęd. Mimo niepodważalnych użytkowo i energetycznie zalet napędów serwosilnikowych prądu przemiennego ich mniejsza wydaj-ność energetyczna i odpowiednio większa masa i objętość zmusza producentów do innego sposobu napędzania czło-nów lokalnych. Umieszczane są na ostatnim przed grupą lokalną członie regionalnym (BR2), a przeniesienie ruchu przez długość tego członu i innych członów lokalnych, np. do członu AL, muszą zapewnić przekładnie wałkowe i pasko-we zębate.Należy tu także wspomnieć o napędzie pierwszego czło-nu (CR) opisywanej struktury kinematycznej – w rozwiąza-niach klasycznych był to napęd umieszczony w fundamen-cie mechanizmu maszyny, a więc wymagający wydrążenia podłoża lub uniesienia mechanizmu ponad potrzeby jego działań, co powodowało niekiedy kłopoty z umieszczeniem mechanizmu np. na ścianach lub słupach hali produkcyjnej. Niektórzy ze współczesnych producentów proponują odwró-cenie tej konstrukcji: napęd jest osadzony na tym członie, co ułatwia aplikacje, ale zwiększając obciążenie członu wymusza większe zużycie energii przez maszynę.Praktycznie przestały być stosowane w mechanizmach konwencjonalnych robotów przemysłowych napędy ruchu liniowego – pewnym wyjątkiem są tu zastosowania różnego rodzaju napędów ruchu globalnego wzdłuż linii obsługi-wanych maszyn produkcyjnych. Jedynym mechanizmem regionalnym, ale wykorzystywanym tylko do zadań obsługi obrabiarek oraz maszyn wtryskowych i odlewnicznych, jest znany od 1981 r. mechanizm robota SCARA (ang. Selective !(& " # 7@ H :: A+I+ $ /%919/2019- /1Compliance Assembly Robot Arm lub Selective Compliance Articulated Robot Arm, niem. również SCARA), o trzech lub rzadziej czterech stopniach ruchliwości oraz strukturach {CR1, CR2, ZL} lub {CR1, CR2, ZR, AL} lub także {ZR, CR1, CR2, AL} – tu pojedynczy, lokalny lub regionalny ruch liniowy po osi Z jest potrzebny zapewniając taki właśnie ruch efektora obsługującego wymienione maszyny produkcyjne.Wyraźną tendencją ostatnich lat jest rozszerzanie zakre-su obciążalności i rozległości geometrycznej mechanizmów robotów przemysłowych. O ile w klasycznych rozwiązaniach poprzednich dziesięcioleci dopuszczalne obciążenia masowe zawierały się – uśredniając – w obszarze od 6 kg do 60 kg, to obecnie górną wartością udźwigu jest już 100 kg, a najwięk-szym udźwigiem, 2300 kg, dysponuje robot M-2000A/2300L firmy Fanuc Deutschland GmbH o wadze 11 ton, 6 stopniach ruchliwości, powtarzalności pozycji punktu TCP ±0,18 mm i zasięgu ruchu ponad 3,7 m. Jeszcze większy zasięg, ponad 4,6 m, przy nieco mniejszym udźwigu, 1700 kg, ma jego sąsiad w rodzinie ciężkich maszyn firmy Fanuc: robot M-2000A/1700L.Roboty o takim udźwigu, wbrew obiegowym opiniom, są w całym szeregu istotnych dla gospodarki przemysłów, bar-dzo potrzebne. Przykładowe pola aplikacji to przemysł samo-chodowy, w tym czynności serwisowe i naprawcze samo-chodów bez potrzeby korzystania z kanałów i podnośników hydraulicznych, przemysł hutniczy (odlewnie) i maszynowy (środki lokomocji kolejowej, okrętowej, lotniczej, maszyny obróbcze, obsługa i sprzęganie tłoczni i kuźni) bez potrzeby czasochłonnego korzystania z suwnic, przemysł oponiarski, przemysł wydobywczy (kamieniołomy) itp.Na drugim końcu skali dopuszczalnych obciążeń są minia-turowe roboty o bardzo małym udźwigu – przyjmuje się dla tej klasy maszyn jako ograniczenie udźwigu 1 kg. Przykładem takiej kompaktowej maszyny z miniaturowym mechani-zmem jest robot MotoMINI firmy YASKAWA Europe GmbH o obciążalności 500 g, 6 stopniach ruchliwości, powtarzalno-ści pozycji TCP ±0,03 mm i zasięgu ruchu nieprzekraczają-cym 350 mm. Robot jest wyposażony w sterownik Motoman YRC1000micro, opracowany specjalnie dla takich małych maszyn. Masa – zaledwie kilka kilogramów i kompaktowe wymiary MotoMINI ułatwiają bezfundamentowe ustawianie robota w różnych, zmieniających się miejscach ciągu pro-dukcyjnego.Programuje się konwencjonalne roboty przemysłowe przez nauczanie (ang. teach-in programming, niem. Teach-in-Pro-grammierung) żądanych ruchów efektora maszyny, przez operatora maszyny – stosowane są tu dwa, podane jeszcze w latach 60. XX wieku, tryby:• programowanie punktowe (ang. multi-point teach-in programming, MP, niem. Multi-Point-Programmierung), nazywane także programowaniem prostym. Niezbędnym urządzeniem do nauczenia prostego maszyny manipula-cyjnej jest sterownik lub panel programujący lub uczą-cy (ang. teach panel, niem. Programmiergerät), służący operatorowi maszyny do wywołania żądanego ruchu poszczególnych członów przez sterowane ręcznie serwona-pędy mechanizmu i w wyniku tego działania zmiany jego kształtu i położenia punktu TCP efektora oraz, następnie, zapamiętania w pamięci sterownika robota wartości współ-rzędnych maszynowych określających relacje wzajemne H# * 999 J K99M'# % K99$ & <<+'$) 4 " F #G ' "$# $ " $NO+ 0 " > ) FP F F92AUTOMATYKA członów mechanizmu mierzone przetwornikami położenia obrotowego, np. enkoderami.• programowanie nadążne (ang. play-back programming lub on-line programming, niem. Play-back-Programmie-rung), nazywane także programowaniem przez obwie-dzenie planowanej trajektorii ruchu. Koncepcja ta, podana w 1968 r., wywodziła się z dostrzeżenia dwóch faktów: wykonywania ręcznie pewnych czynności technologicz-nych przez doświadczonego pracownika potrafiącego z powodzeniem spełnić wymagania technologiczne robo-tyzowanego procesu oraz możliwości wykorzystania tego doświadczenia do programowania ruchu mechanizmu robota, przez wodzenie ręczne efektora/narzędzia osadzo-nego na mechanizmie, przez tegoż pracownika, bezpośred-nio ręcznie lub za pomocą manipulatora drążkowego 3D lub dżojstiku 3D (ang. 3D-joystick lub control stick, niem. Programmierhandgerät mit Steuerknüpel, także 3D-Joy--Stick), pozwalających na zdalne wymuszanie przestrzen-nego ruchu punktu TCP i zarazem odpowiedniej zmiany kształtu mechanizmu robota wraz z zapamiętywaniem bieżących wartości wzajemnych położeń (współrzędnych maszynowych) członów mechanizmu,• oraz tryb trzeci – podany jeszcze w końcu lat 80. XX wieku i stopniowo upowszechniający się od lat przełomu stuleci, w okresie postępującej szybko cyfryzacji i komputeryzacji, czyli• programowanie wspomagane komputerowo (ang. off--line programming, niem. Off-Line-Programmierung) realizowane jako: –programowanie graficzne (ang. virtual reality-pro-gramming lub VR-Programming, niem. Grafisch-inte-ractive Programmierung), opierające się na wytworzo-nym przez symulację komputerową obrazie stanowiska produkcyjnego z osadzonym mechanizmem robota i zastosowaniu, wariantowym, jednego z obu wyżej wymienionych sposobów programowania, –programowanie odwrotne lub komputerowe (ang. computer aided design-programming lub CAD--programming, niem. CAD-Programmierung, także Rechner-Programierung), korzystające ze znanego w dokumentacji CAD, dla wytwarzanego przedmiotu przebiegu trajektorii narzędzia robota lub drogi jego manipulacji i komputerowego wyliczenia na tej pod-stawie wartości współrzędnych maszynowych korzy-stając z rozległości i kształtu geometrycznego czło-nów mechanizmu oraz równań opisujących zależność współrzędnych maszynowych od położenia punktu TCP we wspólnym układzie bazowym rzeczywistego i wirtualnie istniejącego w przestrzeni CAD mecha-nizmu robota. Jest to odwrócenie programowania prostego – w nim nastawianie ręczne wartości współ-rzędnych maszynowych mechanizmu rzeczywistej lub wirtualnej maszyny, w sposobie opisywanym – obli-czenie przez program komputerowy tych wartości, a więc odwrócenie programowania prostego, stąd dobra nazwa w języku polskim.Producenci współczesnych robotów przemysłowych przy-jęli, jako dominującą zasadę, zapewnienie użytkownikowi korzystania z dwóch trybów programowania: podstawowy to komputerowo wspomagane programowanie, obecnie naj-częściej w wersji odwrotnej i uzupełniający – jako progra-mowanie proste. Służy ono przede wszystkim operatorowi A $ $ ) " "& $ " # ( $& ) AF F #G % $" @* " $7"F #GQ@+SF939/2019- /1robota w fazie uruchomienia zrobotyzowanego stanowiska lub maszyny produkcyjnej, pozwalając na korygowanie i uzupełnianie brakujących przejść efektora w realizacji komputerowej. I jeszcze „wtręt terminologiczny”, na pewno dostrzeżony przez uważnego Czytelnika. Utarło się mianowicie używanie określenia „liczba stopni swobody mechanizmu” (z niem. Freiheitsgrad des Mechanismus), która definicyjnie „zależy od liczby części tworzących ten mechanizm i od charakteru więzów pomiędzy tym częściami”. W istocie mówimy o „licz-bie ruchliwości mechanizmu”, bo zgodnie z teorią maszyn i mechanizmów ta właśnie wartość uwzględnia, oprócz wię-zów, tylko ruchome (ruchliwe) części tego mechanizmu, a nie np. część lub części bierne, fundamentujące mechanizm lub osadzające go na ruchomej platformie jezdnej (np. w przy-padku robotów mobilnych wyposażonych w mechanizmy manipulacyjne). Czyli potocznie, ale i poprawnie: „liczba ruchliwości mechanizmu szeregowego lub równoległego jest po prostu równa liczbie napędów występujących w tym mechani-zmie”, a nie liczbie wszystkich jego konstrukcyjnych członów.H# # Koboty (ang. cobots, niem. Koboter, także, choć rzadziej Coboter) – roboty kolaboracyjne lub kooperacyjne (stąd zbitka słowna nazwy), są konstruowane do bezpośredniej współpracy z człowiekiem-operatorem i człowiekiem-pra-cownikiem (stąd, bardzo dobra polska nazwa: roboty współ-pracujące), obsługującym zrobotyzowane stanowiska, urzą-dzenia, maszyny i linie produkcyjne.Pierwsze maszyny tej podklasy robotów powstały w 1996 r. na Uniwersytecie Northwestern w Illnois dla inteligentnego wspomagania (ang. Intelligent Assist Devices) przemieszczeń ciężkich ładunków w przestrzeniach wymagających jednak obecności człowieka i kierowania przez niego ich ruchem. Istotą aplikacji kobotów jest usunięcie z przestrzeni produk-cyjnej zarówno urządzeń zabezpieczających przed wypadka-mi powodowanymi kolizjami człowieka z konwencjonalny-mi maszynami manipulacyjnymi, jak i usunięcie obszarów zamkniętych, przeznaczonych tylko dla zastosowań tych maszyn, oddzielonych całkowicie od obecności człowieka.Wyraźny w ostatnich latach wzrost zainteresowania kobo-tami wynika z dwóch względów. Pierwszy to przyspieszająca równie dynamicznie, właśnie w tych latach, konwencjonalna robotyzacja przemysłu i chęć zmniejszenia przez inwestorów kosztów wynikających z niewykorzystanych przestrzeni dla celów produkcyjnych i z wprowadzania dodatkowych, niepo-trzebnych w produkcji, urządzeń zabezpieczających. Drugą przyczyną, jeszcze może ważniejszą, okazała się sprawdzona w praktyce przemysłowej konieczna obecność pracowników w większości robotyzowanych procesów produkcyjnych i to nie tylko z powodów obsługowych (operacyjnych i serwiso-wych) samych maszyn manipulacyjnych, ale przede wszyst-kim z powodów technologicznych. Współcześnie istnieje, już wyżej wspomniana, hipotetyczna możliwość zrobotyzowania każdego, nawet niskoseryjnego procesu produkcyjnego, ale koszt takiej inwestycji i czas jej amortyzacji są nieporówny-walnie duże, po prostu współcześnie nieakceptowalne, w sto-sunku do realizacji tego samego procesu z udziałem pracy ręcznej. Może to dotyczyć tylko części stanowisk wykonaw-czych, ale i w tym przypadku obecność kobotów lub robotów konwencjonalnych i o zachowaniach kobotycznych w całym ciągu produkcji jest pożądana, ze względów bezpieczeństwa pracy zatrudnionych w nim ludzi nawet na pozostałych, zro-botyzowanych konwencjonalnie stanowiskach. Istotą budowy kobotów jest zbliżenie konstrukcji, napę-dów, sensorów i sterowania mechanizmu maszyny do ograni-czonych możliwości ruchowych ramienia/ramion człowieka oraz jego specyficznie bionicznych możliwości sensualnych i aktuacyjnych, zarówno kinematycznych, jak i kinetycznych. Inaczej niż w przypadku mechanizmów konwencjonalnych robotów budowanych z reguły z profili tłoczonych lub hut-nicznych, z zabudowywanymi na zewnątrz elementami i zespołami napędowymi pomiarowymi, człony mechanizmu kobotów są wykonywane z kształtek powłokowych, tworzy-wowych lub metalicznych, kryjących we wnętrzu wszystkie niezbędne elementy i zespoły nośne (jeśli istnieje potrze-ba usztywnienia powłok zewnętrznych) oraz wykonawcze ruchu, od sensorów, przez silniki, przekładnie, zabudowę osi połączeń aż do prowadzenia przewodów zasilających, sygnałowych i sieciowych. W ten nowy, antropomorficz-ny lub bioniczny sposób zapewniona zostaje żądana geo-metria, struktura i sztywność łańcucha kinematycznego kobotów. Jednocześnie gładki, obły, często miękki (przez zewnętrzną okładzinę materiałową lub tworzywową) łań-cuch mechanizmu maszyny spełnia większość pożądanych przez człowieka wymagań dotyczących kontaktu jego ciała i ramion z „obcym” obiektem. Stąd prawie nierozróżnialne podobieństwa wyglądu kobotów prezentowanych obecnie w katalogach firm producenckich.!(& # ) 4 " F #G ' ' % 94AUTOMATYKA W obszarze parametrów ruchu i sterowania koboty różnią się zdecydowanie od konwencjonalnych robotów – główne różnice odnoszą się do spełnienia wspomnianych wymagań bezpiecznej, ergonomicznie spolegliwej współpracy z czło-wiekiem – co oczywiste, oraz do wartości parametrów ruchu, masy mechanizmu, jego udźwigu i powtarzalności pozycjo-nowania, także do ceny maszyn. Uśredniając – wyraża się to w przyjęciu:• ograniczonej prędkości ruchu liniowego członów mecha-nizmu i efektora, maksymalne wartości w trybie poza kolaboracyjnym nie przekraczają 1 m/s, w trybie kolabo-racyjnym są kilkukrotnie mniejsze i zależą od prędkości ruchu ramienia i dłoni operatora, • równie ograniczonej prędkości ruchu obrotowego efekto-ra, maksymalne wartości w trybie poza kolaboracyjnym nie przekraczają 135–400°/s, w trybie kolaboracyjnym zależą – jak wyżej – wyłącznie od operatora,• bardzo małych, w stosunku do maszyn konwencjonal-nych, mas członów i udźwigu (obciążalności łańcucha kinematycznego) maszyny, uwzględniających ergono-micznie dopuszczalne dla człowieka obciążenia, zależne zresztą od przyjętych aplikacji i od rodzaju wydatkowanej przez człowieka pracy – są to wartości bądź zdecydowanie poniżej 10 kg (np. 4 kg udźwigu), bądź o nieco podwyż-szonym zakresie 10–20 kg (np. 14 kg),• dopuszczenia przemieszczeń przez operatora całego, nie-zafundamentowanego mechanizmu i to w stosunku nie tylko do danego stanowiska, ale i w stosunku do kilku stanowisk linii produkcyjnej – stąd masa mechanizmu uwzględniać musi dopuszczone ergonomią obciążenia ruchu człowieka przemieszczającego lub przenoszącego ten mechanizm – masa ta nie przekracza z reguły 30 kg,• dostosowanego zasięgu ruchu efektora do ergonomicznie zalecanych przestrzeni ruchu człowieka, siedzącego lub stojącego przy stanowisku, a więc od 400 mm do 800 mm,• powtarzalności pozycjonowania przemieszczeń progra-mowanych ruchem ręki człowieka – wartość ta może się mieścić nawet w obszarze ±0,15 mm, z reguły jest jednak większa, nawet o rząd wielkości,• programowania trajektorii ruchu efektora przez naucza-nie, polegającego na ręcznym prowadzeniu i ustawie-niu wybranych członów lub efektora i przez to zmianie kształtu mechanizmu i z nim położenia punktu TCP – jest to najbardziej kobotyczny sposób programowania tych maszyn,• ceny kobotów, aktualnie wyższe od maszyn konwen-cjonalnych o podobnych parametrach użytkowych, od 40 tys. USD do 70 tys. USD – waży tu rozbudowana sen-soryka i specyficznie „miękka” konstrukcja mechanizmu. Zakłada się, że planując skorzystanie z oferty kobotów na polskim rynku, trzeba się przygotować na wydatek co najmniej 100 tys. PLN.Wymagania bezpiecznej współpracy człowieka z maszyną mamipulacyjną (Men-Robots-Collaboration) określa norma ISO/TS 15066 (Robots and Robotic Devices – Collaborative Robots) – są to cztery dopuszczone sytuacje wzajemnego kontaktowania, a więc współpracy lub kolaboracji):6 $ " # $ "N & > $'&( " " & " '&% ,@6A @#" $4 FQSF & E N $ $ > " 0 $ " # 959/2019- /1• sytuacja 1: pewne zatrzymanie; mechanizm kobota (lub robota hybrydowego) zatrzymuje się po wejściu człowie-ka (nawet wsunięciu ręki) w przestrzeń roboczą maszyny,• sytuacja 2: prowadzenie ręką; po aktywacji włącznika bez-piecznej pracy (w przeciwnym przypadku mechanizm jest zatrzymany) istnieje możliwość prowadzenia mechanizmu ręką człowieka po stwierdzeniu stosownego, mierzonego sensorem siły (momentu), oddziaływania na mechanizm,• sytuacja 3: kontrola prędkości i oddalenia, przestrzeń robocza maszyny podzielona jest na kilka stref, stwier-dzone przekroczenie (np. przez skaner laserowy) pierwszej, zewnętrznej strefy powoduje redukcję prędkości ruchu, przekroczenie kolejnych stref – dalsze redukcje jej warto-ści, przekroczenie właściwej przestrzeni roboczej maszyny – całkowite zatrzymanie ruchu mechanizmu,• sytuacja 4: ograniczenie siły i wydatkowanej energii; poda-ne w Technicznej Specyfikacji, (TS) opisu tej sytuacji: mak-symalne wartości sił (momentów) lub wydatkowanej przez mechanizm energii, po ich inicjacji, są wartościami nie-przekraczalnymi.Szczególnie interesującym rozwiązaniem należącym do tej grupy robotów jest BionicCobot (Festo Vertrieb GmbH & Co. KG). Rozwiązanie znane już w 2017 r, ale wciąż budzące respekt ogromem problemów, które udało się pomyślnie rozwiązać. Mechanizm robota i jego rozległości geometryczne spełniają doskonale wymagania ergonomicz-ne sylwetki człowieka, także jego parametry prędkościowe, przyspieszeniowe i obciążeniowe. Zapewniono możliwość programowania jego ruchów wszystkimi trzema wspomnia-nymi sposobami stosowanymi w robotyce konwencjonal-nej, on- i off-line, szczególnie wygodne jest programowanie przez nauczanie spełniające wymagania kolaboracji przez prowadzenie mechanizmu ręką (sytuacja 2). Uzyskano to przez konsekwentne zastosowanie serwonapędu pneumo-tronicznego z wykorzystaniem łopatkowych siłowników obrotowych. Dzięki temu mechanizm jest „miękki”, pro-wadzi się go ręką płynnie, ustawienie pozycji i toru ruchu jest bardzo łatwe, w stanie postoju nie zużywa energii, realizowane siły odpowiadają tym znanym z pneumaty-ki napędowej (ciśnienie zasilanie 6 barów). Jest to jednak zdecydowanie najtrudniejszy, odnosząc się do rozwiązań robotów z napędami elektrycznymi, rodzaj napędu do ste-rowania pozycyjnego (na marginesie problemu pneumo-troniki: został on rozwiązany dla firmy Festo w Instytucie S#2H<9) 2 3 H# J7 & * " " $&/# " &"96AUTOMATYKA Automatyki i Robotyki Politechniki Warszawskiej w latach przełomu XX i XXI stulecia).Doskonałym uzupełnieniem mechanizmów kobotów jest proponowana przez holding Schunk GmbH & Co. KG, rodzina efektorów Co-act. Składa się z czterech efektorów--chwytaków; najbardziej zaawansowany Co-act JL1 dyspo-nuje: • pojemnościowymi sensorami zbliżeniowymi sytu-acji kolizyjnych,• własnym ekranem dotykowym umożliwiającym komu-nikację efektora z pracownikiem-partnerem kobota, nauczanie efektora polega na pokazaniu efektorowi chwy-tanego obiektu oraz przełączanie trybów pracy efektora,• umieszczoną między „palcami” chwytaka kamerę wizyjną dla identyfikacji chwytanego obiektu,• dwoma rodzajami chwytania: nożycowym i imadłowym (równoległym),• możliwością nastawienia żądanej siły chwytnej,• taktylnymi sensorami rozróżniającymi chwytany obiekt i rękę partnera,• optycznym powiadamianiem „ludzkiego” partnera o sta-tusie pracy efektora i identyfikacji chwytanego obiektu.Podstawowe sposoby programowania kobotów są w zasa-dzie identyczne z trybami programowania robotów konwen-cjonalnych. Jako dobry przykład można prztoczyć zasady przyjęte przez niewątpliwego lidera na rynku kobotyki, duń-ską firmę Universal Robots A/S. Mianowicie firma postawiła na kobotyczną łatwość obsługi mechanizmów i programo-wania ich ruchów. Oprogramowanie wykorzystuje system Linux, upraszczający programowanie i przede wszystkim skracający czas szkolenia operatorów i pracowników, co sprawdza się doskonale w przypadku programów punkto-wego projektowania trajektorii ruchu, gorzej w przypadku współpracy z urządzeniami i systemami zewnętrznymi, opartej na wymianie danych. Firma rozumiejąc te trudno-ści nawiązała ścisłą współpracę z producentami urządzeń zewnętrznych, a więc efektorów, sensorów i aktuatorów oraz współpracę z producentami oprogramowania. W firmowy system wbudowano więc platformę UR+ pozwalającą wła-śnie na integrację własnego systemu UR z urządzeniami i oprogramowaniem firm zewnętrznych.Jako okna-zakładki programu UR kobota przyjęto:• ekran startowy, podzielony na dwa okna: okno programu – umożliwiające wybór poszczególnych funkcji i trybów programowania oraz okno komend programowania poło-żenia punktu TCP na trajektorii ruchu,• zakładkę Move służącą do zmiany kształtu mechanizmu i zmiany wynikowego położenia jego punktu TCP – są tu zaimplementowane trzy tryby: –Move Tool – służący do realizacji podstawowego zada-nia zakładki, czyli ustawienia w przestrzeni roboczej maszyny punktu TCP, przez przemieszczenie wybra-nych członów, –Move Joints – służący do wywołania ruchu tylko jed-nego członu mechanizmu, uwzględniając jego ograni-czenia rozległości geometrycznej, –Freedrive – służący do kobotycznego programowania kształtu mechanizmu przy pomocy ręki/dłoni ope-ratora lub pracownika. Dopuszczony jest ten sposób programowania w przypadku robotów o udźwigu 3 kg i 5 kg, w przypadku robota o udźwigu 10 kg (UR10) należy zezwolić na ten ruch przez naciśnięcie na tylnej ściance panelu programującego przycisku zezwolenia ruchu (analogicznie do paneli programujących roboty konwencjonalne), • zakładkę Graphics – wizualizującą zaprogramowaną tra-jektorię ruchu mechanizmu,• zakładkę Structure – pozwalającą modyfikować projekto-wany program i dodawać do niego inne funkcjonalności przez kopiowanie, wycinanie, wklejanie oraz wyłączanie niepotrzebnych aktualnie części programu,• zakładkę Installation – realizującą ustawienia programu, m.in. interfejsów wejścia/wyjścia, systemu bezpieczeń-stwa, sieci i protokołów Profinet,• zakladkę I/O – podglądu wartości wejść i wyjść sterow-nika robota.Aplikacja kobotów firmy Univeral Robots, oprócz dopusz-czonej przez producenta i zgodnej z normą ISO/TS 15066 czwartej sytuacji kolaboracyjnej, spełnia także wymagania certyfikatu TÜV (niem. Technischer Überwachungsverein) potwierdzającego zgodność ogólnie rozumianej bezpiecznej pracy człowieka i maszyny z normą EN ISO 13849-1:2008, później zastąpionej normą EN ISO 13849--1:2016-02 i jej polskim, równoważnym odpowiednikiem (Bezpieczeństwo maszyn – Elementy systemu sterowania związanego z bez-pieczeństwem – Część 1: Ogólne zasady projektowania).H# "# Już z opisanych w poprzednim punkcie wymagań stawianych kobotom wynika, że z punktu widzenia użytkownika robo-tyki przemysłowej powinna istnieć taka odmiana robotów lub kobotów, która spełnia podwójne wymagania aplikacyjne związane ze wspomnianym już problemem ich obecności S#2H<9) 2 3 H# J7E " " " - $<9$ & K9'$ /$<K99 ,@6T9< )$ $ " ' & 3 $ $979/2019- /1w całym ciągu produkcyjnym. Mianowicie, dość wysoki koszt kobotów, obniżone prędkości ruchu, zmniejszone parametry rozległości przestrzeni roboczej i obniżona obcią-żalność, skłaniają aplikujących robotyzację do korzystania na stanowiskach nieskobotyzowanych z robotów o konwen-cjonalnych właściwościach, większych prędkościach ruchu i niższych cenach. Tak powstała odmiana maszyn manipula-cyjnych nazywanych robotami hybrydowymi (ang. hybrid robots, niem. Hybridroboter), łączących (prawie) konwen-cjonalne ceny i właściwości użytkowe z wymaganiami MRK. Są to właściwości ograniczone jednak najczęściej tylko do jednej, wybranej sytuacji kolaboracyjnej według normy ISO/TS 15066. Dobrym przykładem robota hybrydowego jest Motoman HC10 firmy YASKAWA Europe GmbH z rozległością ruchu 1,2 m i obciążalnością 10 kg (HC to oczywiście Human Col-laborative). Robot ten jest przeznaczony zarówno do aplika-cji standardowych, konwencjonalnych, jak i kolaboratycz-nych, które zapewnia mu nieco zmodyfikowana realizacja zabezpieczeń kobotycznych według 4. sytuacji MRK. Robot został mianowicie wyposażony w sensoryczny nadzór sił i momentów we wszystkich sześciu stopniach ruchliwości mechanizmu. Możliwe jest tu także wykorzystanie kobotycz-nego efektora-chwytaka lub specjalizowanego efektora-na-rzędzia o właściwościach MRK.Hybrydowe wymagania modyfikacji MRK mogą odnosić się także do kobotów – np. do stosowania, oprócz firmo-wo wyposażonego kobota w jego specyficzny osprzęt sen-soryczny, procesorowy i aktuatoryczny, dodatkowo także skaneru bezpieczeństwa, pozwalającego na pracę kobota z prędkościami większymi niż kolaboracyjne w sytuacji, gdy w jego skanowanym otoczeniu nie znajduje się żaden nieoczekiwany w trakcie programowania obiekt. W praktyce należy to rozumieć jako podział przestrzeni roboczej kobo-ta, wynikający z jego struktury kinematycznej i rozległości geometrycznej jego członów, na dwie strefy:• strefę operacyjną, w której kobot może zachowywć się jak konwencjonalny robot oraz• strefę kolaboracyjną, w której może znajdować się pra-cownik, a kobot musi realizować wspomniane, specy-ficzne wymagania przyjętej, na przykład 4. sytuacji kola-boracyjnej.Przygotowując aplikację kobotyczną lub hybrydową należy więc zidentyfikować, zgodnie z wymaganiami normy ISO 10218-2:2011 (Robots and Robotic Devices – Safety Requirements for Industrial Robots – Part 2: Robot Systems and Integration) następujące zagrożenia:• zagrożenia związane z mechanizmem robota: –parametry użytkowe mechanizmu – struktura kine-matyczna, masa i rozległości geometryczne, prędkości i przyspieszenia ruchu członów i efektora, generowane przez napędy siły i momenty, wpływające na powstanie zagrożeń dla człowieka, –możliwość wystąpienia quasi-statycznego kontaktu z ciałem człowiekiem, –wzajemne rozmieszczenie stanowisk pracy: człowieka i robota,• zagrożenia związanez osprzętowieniem mechani-zmu robota: –efektory, nieergonomiczne rozwiązania konstrukcyj-ne chwytaków i narzędzi, np. możliwość upuszczenia przenoszonego elementu, ostre krawędzie elemen-tu itp., –możliwość przyciśnięcia ciała człowieka w trakcie wykonywania programu, –budowa i miejsce umieszczenia paneli programujących i sterujących, np. możliwość przypadkowego urucho-mienia lub zatrzymania mechanizmu robota, –budowa i umieszczenie innych maszyn w bezpośred-nim sąsiedztwie danego zrobotyzowanego stanowiska pracy człowieka i robota, • zagrożenia wynikające z danej aplikacji robota: –otoczenie stanowiska pracy człowieka i robota, np. temperatura, hałas, zapylenie, –dostępność specjalnego wyposażenia ochronnego czło-wieka, –nieergonomicznie zaprojektowana trajektoria ruchu efektora robota.Dodatkowo celowe jest określenia ryzyka powstania zagrożeń wywołanych obecnością człowieka-operatora lub człowieka-pracownika w strefie operacyjnej i kolaboracyj-nej robota:• częstość i czas przebywania człowieka w strefie kolabo-racyjnej,• częstość i czas trwania bezpośrednich kontaktów czło-wieka i robota,• charakter przejść między strefą operacyjną i kolabora-cyjną,H#"# G@<9) U 7S ! : F #G' * / ) 7V$ F #G98AUTOMATYKA • charakter resetowania systemu pracy robota: automatycz-ny lub manualny, • niezbędna liczba pracowników w strefie kolaboracyjnej: jeden czy więcej pracowników i w jakim charakterze,• niekolaboracyjne zadania zmuszające człowieka do wej-ścia w tę strefę.H# Kolejna duża grupa nowoczesnych robotów charakteryzują-cych się nie tyle obsługą i serwisem maszyn, stanowisk, linii, systemów i procesów przemysłowych, ale przede wszystkim wspomaganiem i obsługą nas, ludzi, w konkretnych sytu-acjach życiowych, od obsługi mieszkania i wykonywania czynności dnia powszedniego, do obsługi pacjentów wydzia-łów szpitalnych, w tym sal chirurgicznych, rehabilitacyjnych i laboratoryjnych, do wspomagania osób przewlekle cho-rych, kalekich lub niedołężnych oraz personelu lekarskiego i pielęgniarskiego, opiekującego się tymi osobami w domach opieki, domach spokojnej starości, domach senioralnych, szczególnie także w hospicjach.Roboty serwisowe (ang. service robots, niem. Servicero-boter lub Pflegeroboter) także we wspomnianych aplikacjach przemysłowych mają dość specyficzne zadania o charakterze wspomagania pracowników wykonujących dotychczas te zadania ręcznie, bez jakiegokolwiek wspomagania maszy-nowego. Dobrym przykładem są tu doniesienia koreańskiej holdingu Doosan Robotics Inc. na temat aplikacji robotów serwisowych na stanowiskach przygotowania samochodów dostarczanych przez producenta do developera do dalszej wysyłki lub bezpośredniego odbioru przez klienta. W tym przypadku muszą to być oczywiście hybrydowe roboty ser-wisowe, o wyraźnie przypisanych im zachowaniach kobo-tycznych. Te roboty serwisowe są programowane kobotycz-nie przez obsługującego stanowisko serwisowe pracownika i w odniesieniu do serii kilku lub kilkunastu serwisowanych karoserii przestawiane i ustawiane ręcznie przez obsługują-cego stanowisko pracownika w określonych miejscach wokół karoserii, uruchamiane - wykonując już samodzielnie zadane wcześniej programowo takie czynności, jak założenie wybra-nych przez klienta kół i opon, rozpoznanie położenia śrub ich mocujących i sprawdzenie momentu ich dokręcenia, sprawdzenie poprawności zamocowania lusterek bocznych i ich działania, założenie właściwych tablic rejestracyjnych, czyszczenie i polerowanie lakieru itp. W drugim, tym bardziej interesującym nas, ludzi, obsza-rze obsługi bardzo ciekawym rozwiązaniem w grupie robo-tów serwisowych jest proponowany przez szwajcarską firmę F&P Robotics AG kobot mobilny Lio mający służyć nam jako partner, jako ta druga osoba, właśnie we wszystkich wyżej wymienionych czynnościach i zadaniach, w których wymagamy bezpośredniego kontaktu z drugą osobą: leka-rzem, pielęgniarką, fizjoterapeutą, rehabilitantem, a więc służyć jako osobisty robot serwisowy lub poprawniej obsłu-gowy, osobisty. Lio jest maszyną mobilną, z posadowionym na jezdnej platformie mechanizmem kobota P-Rob. Ten zin-tegrowany mechanizm jezdny i manipulacyjny, chroniony miękką okładziną, ma zachęcać wręcz do bezpośrednich z nim kontaktów. Można go programować przez uczenie różnych, nawet złożonych czynności niezbędnych do wyko-nania w naszym, jakże silnie zmieniającym się otoczeniu. >#>H# 0 $" $ H# +W $ "# E >' #> &% / #(&999/2019- /1Przygotowywana jest także w firmie F&P Robotics wersja dwuramienna, z dwoma równoległymi otwartymi łańcucha-mi mechanizmów P-Rob, już o wyraźnych cechach huma-noidalnych.Akceptacja obecności robotów serwisowych, zarówno przez personel lekarski, pacjentów, jak i nawet seniorów, w ostatnich latach pomyślnie wzrosła, jakkolwiek, w odróż-nieniu od dobrej akceptacji w krajach azjatyckich, w tym w Japonii i Chinach, nadal preferujemy w Europie bardziej techniczną, niż humanoidalną naturę tych maszyn. Studium akceptacji maszyn serwisowych w naszym życiu, wykona-ne przez Instytut Psychologii na Uniwersytecie w Bazylei, dowodzi, że już tylko od 10% do 20% osób, pacjentów i per-sonelu lekarskiego odmówiłoby stanowczo ich obecności, i w swoim mieszkaniu, i w salach szpitalnych. Kobot serwisowy Lio może kontaktować się z nami gło-sem, monitorem wizyjnym, odczytem karty programowej, np. z zadanymi przez lekarza czynnościami i lekami, roz-wożąc po salach chorych w szpitalu i domu opieki medyka-menty oraz posiłki. Pierwsze zastosowania znalazł kobot Lio już w marcu 2018 r. w Domu Opieki Caritasu w niemieckiej Konstancji – pomyślne wyniki tego projektu powinny otwo-rzyć drogę zastosowaniom w innych wyżej wspomnianych domach i ośrodkach. Oczywiście pozostaje problem kosztu takiego mechatronicznego partnera – w zależności od wypo-sażenia programowego od 60 tys. do 80 tys. euro. Dochodzi do tego koszt serwisu, aktualizacji oprogramowania, ban-ków danych i procedur oraz dwumiesięczny koszt szkolenia personelu – łącznie około 100 tys. euro. Jak na razie sporo!Kolejny projekt firmy F&P Robotics to kobot Lio jako partner personelu pielęgniarskiego przy pobieraniu krwi i wykonywaniu zastrzyków jako Robot Assistant for Nurses.I jeszcze jeden przykład, na przeciwległym krańcu obsza-ru dotychczas omawianych aplikacji serwisowych. W pro-jekcie DIANA (ang. Dynamic Interactive Robotic Assistant for Novel Applications) założono wykorzystywanie kobo-tycznego robota serwisowego do montażu nieregularnie ustawionych w przestrzeni elementów drewnianych. Zało-żona geometria i ten właśnie materiał budowlany wyma-gały wykorzystania techniki montażowej umożliwiającej dynamiczne wykrywanie i reagowanie narzędzia na liczne odchylenia od założonego wymiaru. W procesie realizacji projektu zastosowano robota pro-dukcji koncernu KUKA – LBR-iiwa, o siedmiu stopniach ruchliwości mechanizmu kinematycznego, który wyróżnia się tym, że dla każdej z osi ruchu, podczas jej pracy, mie-rzony jest generowany przez nią moment obrotowy. Sensory momentu zostały wprowadzone w celu umożliwienia bez-piecznej współpracy robota z człowiekiem i ustępowania członów mechanizmu robota przed napotkaną przeszkodą po osiągnięciu zadanego, bezpiecznego momentu oraz pro-gramowanie ruchu mechanizmu przez uczenie, metodą ręcz-nego prowadzenie efektora robota przez pracownika. W pro-jekcie DIANA sensory te zostały wykorzystane w trakcie montażu także do wykrywania niedokładności wykonania elementów i procesu ich łączenia tak, aby rekompensować >#>H# & "#" ) 4Q6H# FE > # ## M #> & # 6* ## " " $7"F #GQ@+SFNext >