Postřehy z veletrhu Automatica

Největší dynamiku zaznamenávají v tomto směru Čína, Jižní Korea a země společenství ASEAN. Zajímavým ukazatelem vybavenosti výroby průmyslovými roboty v jednotlivých zemích je počet těchto robotů na 10 tisíc pracovníků v průmyslové výrobě. Celosvětový průměr je 50 robotů na 10 000 pracovníků. Nejvýše stojí při tomto srovnání Japonsko, Jižní Korea a Německo s hustotou robotů mezi 250 až 300, stupeň automatizace českého průmyslu je ohodnocen pod průměrem číslem 37. Při porovnávání těchto dat vyplývá ale např. i to, že země s tak velkým potenciálem, jako jsou Rusko, Čína nebo Indie, nedosahují při hodnocení své výroby v tomto směru ani počtu 20. Pro výrobce robotů je to naopak povzbuzující impulz. Vstříc jim vychází i společnost Mnichovské veletrhy, která v příštím roce, od 1. do 3. března, připravuje v Bombaji první tamní veletrh automatizace India Automation Technology Fair (IATF) .

Veletrh Automatica si i za nepříliš dlouhou tradici od svého založení získal neobyčejnou popularitu. Jeho informace jsou pro firmy žádané jednak kvůli snižování vlastních výrobních nákladů, jednak i pro udržení vlastního podniku v tržní konkurenci. V souhrnu přináší přehled o nových směrech automatizace výrobních i obslužných procesů, servisních robotech, systémech zpracování obrazu i o jednotlivých prvcích těchto procesů.

Současný trend ve vývoji a vytváření robotizovaných pracovišť jde jak cestou vyšších technických parametrů robotů a celých systémů, včetně právě snižování energetické náročnosti, tak i cestou prosazování větší flexibility robotů se zapojením i tvůrčího myšlení člověka. V zásadě se tak mění, při zajištění potřebných bezpečnostních opatření, názor na absolutní izolaci jednotlivého robotizovaného pracoviště i celých provozů. Tím, že jde o zcela nové chápání takových robotizovaných pracovišť, pracuje tu na úkolech bezpečnosti hned vícero ústavů. Fraunhofer Institut IDTM předvádí v projektu BildRobo inteligentní monitorovací systém Sim4Save s vybavením haly vhodným počtem kamer a programem schopným určité předvídavosti vzhledem k typu provozu. Kamery zachycují veškerý prostor a dění v hale, při překročení programem nastavených limitů vyvolávají varovná upozornění. Nejprve pouze zvuková, při hrozícím nebezpečí navíc iniciují zpomalení chodu robotu nebo jeho zastavení.

eloplošný kamerový bezpečnostní systém Sim4Save

Celoplošnou bezpečnost řeší i projekt ViERforES z Fraunhofer Institutu IFF. Složen je z projektorů a kamer umístěných na stropě nebo stěnách haly. Projektory zobrazují na ploše haly bezpečnostní linie, kam se nesmí vstupovat. Případné překročení linie zachycuje kamera, která opět vydá pokyn pro omezení nebo zastavení pohybu robotu. K projekci bezpečnostních zón se pro ochranu před rušivýmí světelnými jevy užívá modulovaného světla. I tady se dá způsob varování před eventuálním zásahem do chodu provozu kombinovat s akustickými i optickými signály. Na stejném principu vyvíjí IFF i bezpečnostní systém pro jednotlivá robotická nebo kombinovaná kooperační pracoviště.

Pro taková pracoviště, kde se setkávají v pracovním procesu člověk s robotem, existuje samozřejmě vícero způsobů zajištění bezpečnosti a jejich volba závisí většinou na místních podmínkách. Mohou je řešit způsoby uvedené už v předchozím odstavci, propojení řídicího systému se soustavou senzorů nebo třeba i materiálová volba v propojení na taktilníi senzory. Popularitě se těší senzory s citlivostí blízkou vnímání člověka, danou povlakem „umělé kůže“, která dokáže rozlišit i sílu dotyku. Podstata řešení vyvíjeného hned na několika místech, ať už v Kalifornské univerzitě v Berkeley, Stanfordské univerzitě nebo i Fraunhofer Institutu IFF v Magdeburku, je vždy stejná – síť dostatečně citlivých taktilních senzorů, umístěná v měkkém, většinou vodivém pěnovém materiálu, s elektronikou pro vyhodnocení situace a předání informace robotu, počítači nebo řídicímu centru. Umělou kůží může být přitom pokryt třeba stojan nebo rameno robotu, ale může být vložena i do podlahy, kde slouží v síti nášlapných senzorů. Velikost plochy sítě a ani její geometrický tvar nejsou nijak ohraničené.

Provedení umělé kůže z IFF bylo užito např. u laboratorního asistenčního robotu LISA, který se stará o fyzické doplňování databáze laboratorních vzorků a při své práci spolupracuje s laboranty. Po konstrukční stránce je manipulační část robotu v provedení scara, s ramenem a stojanem opatřenými na povrchu právě uváděnou umělou kůží. Systém řízení robotu tady dostává navíc i informace z termokamery, která sleduje akční prostor ramena s chapadlem, a protože jde o mobilní robot, nechybí ani laserová navigace. A že jde o pokus IFF vytvořit robot s co nejvyšší inteligencí, ukazuje také to, že s okolím se robot může domlouvat i hlasem, má velkou slovní zásobu a rozumí i větám.

Variantu kooperačního pracoviště s vymezeným sektorem pro činnost robotu, manuální obsluhy a společnými sektory by na veletrhu předveden u vzorového montážního pracoviště SILIA (der sichere und leistungsfähige Industrieroboter Assistent) od Fraunhofer Institut IPA, vyvíjeného v rámci úkolu podpory automatizace u malých a středních podniků. Robot tu vykonává opakující se monotónní práci, manuální obslužnou činnost spojenou s potřebou individuálního rozhodování, speciální kontroly nebo různé přípravné fáze. Senzory ohraničují jednotlivé sektory, kamerový systém pomáhá včas rozeznat úmysly a pohyby manuální obsluhy a při přibližování bezpečnostních limitů robotu k obsluze se pohyb robotu zpomaluje. Některé další obdobné náměty kooperace a jejich řešení ukazují i obrázky u tohoto článku.

Činnost robotizovaných pracovišť je stále více spojena se strojovým zpracováním obrazu a strojovým viděním. Rozšiřuje se nabídka vhodných nástrojů pro zpracování obrazu a jejich kompatibilitu s programovým vybavením robotu i využitelnost nejen pro kontrolu parametrů hotového výrobku, ale i měření během výrobního procesu, včetně 100% kontroly. Po napojování kamer nebo optických senzorů pro zpracování dat na standardní počítač roste dnes využívání tzv. inteligentních kamer s přímou schopností zpracování obrazových dat. Vývoj snímání od 2D pokračuje k prostorovým variantám snímání ve třech dimenzích 3D, včetně metody sekvence periodických proužků projektovaných na 3D objekt se snímáním vzorů digitální kamerou s vysokým rozlišením. Využitím metody geometrické triangulace se podle změn ve struktuře promítnutého vzoru, vyplývající z geometrie objektu, získá pak závěrečná 3D informace.

Stejné záměry má optická metoda nazvaná Time-of-Flight (ToF) s osvitem většinou ultrafialovými nebo IR paprsky. Při kontinuálním postupu pracuje na bázi měření fázového posunutí vyslaného a přijímaného signálu, při pulzním postupu na bázi měření časového rozdílu mezi vyslaným a přiatým signálem.

Na metodě využití geometrické triangulace je založen i způsob měření a řízení robotické manipulace s prostorově neuspořádanými předměty či obrobky, stručně označovaný ustáleným pojmem Griff in die Kiste, kde robot vykonává úkony, na které nebyl původně připraven. Ve své podstatě jsou roboty konstruovány na stále se opakující a předem naprogramované postupy, což u chaoticky rozmístěných dílů nelze aplikovat. Tady musí robot dostat přesnou informaci o jejich poloze, jak se mají uchopit a jak do toho prostoru vůbec vstoupit. Od úvodních prací na tomto úkolu, které zčásti představil minulý ročník veletrhu Automatica, se dnes tato metoda dostala po dalším intenzivním vývoji v několika organizacích už i ke konečnému praktickému uplatnění. Postup se podařil i ve Fraunhofer Institutu IPA, kde v rámci projektu BP3-BinPicking3d použili optiky ISRA Vision se senzorem 3D ShapeScan se dvěma standardními kamerami a laserovou projekcí pro výpočty polohy pomocí triangulace. Obsah přepravního kontejneru o objemu 1m3, odkud je třeba díly odebírat, se touto metodou detekuje a robot připraví k odběru dílu během 2s. Senzor 3D ShapeScan nebo i 3D StereoShapeScan lze umístit přímo i na robot.

Obdobný modulový systém nabízí už komerčně dánská firma Scape Technologies, která uvádí délku cyklu zpracování dat před uchopením chapadla robotu jen 1 s. Tento krátký interval navazuje už na předpřípravu následujícího cyklu v době, kdy ještě probíhá předchozí cyklus. Metoda už byla aplikována u šestiosých kloubových robotů Kuka, ABB a Kawasaki. Orientačně se cena takového pracoviště v podobě kompletní buňky i s robotem a programovým vybavením pohybuje mezi 150 až 200 tis. eur.

Každý ročník veletrhu Automatica přináší i některé nové prvky v konstrukci robotů. Zajímavou aplikací se v poslední době stává realizace už desetiletí staré myšlenky ze 70. let minulého století pro pohyb mobilních robotů jak průmyslových, tak i servisních, pomocí všesměrových kol. Jejich výhodou je pohyblivost v omezeném prostoru, včetně otáčení i na místě. Tato kola, užívaná pro plošinu pod robotickou nástavbou, mají většinou na svém obvodu sadu pogumovaných válečků soudečkového tvaru s osou otáčení v úhlu 45o k rovině kola a každé kolo je poháněno vlastním elektromotorem. Uspořádání kol do pravidelného čtverce nebo obdélníku dává pak právě kromě směrových pohybů i otáčivost podvozku na místě. Tehdejšího vynálezu, označovaného „mecanum“ kola (podle švédské firmy, kde k vynálezu došlo) se dnes chopilo hned několik firem. Některé pro pouhou přepravu čehokoliv, pro nástavbu s roboty pak známá Kuka Robotics a Neobotix z Heilbronnu. Kuka tu řeší úkol EU s požadavkem na vývoj od extrémně lehkých až po extrémně těžké robotické kombinace. Úvodní část studie proto představuje její demonstrační model v provedení minirobotu pro montáž s podvozkem o rozměrech 58 x 36 cm, kde se jako nástavba používá lehkých kloubových robotů. Svým řídicím a bezpečnostním systémem může být robot využit i pro přímou spolupráci s lidskou obsluhou a ve své podstatě může plnit úkoly operačního asistenta. Pro užití mecanum kol i v nejtěžším provozu si Kuka zvolila kombinaci s plošinou pro nosnost až 100 t, osazenou stojanovým šestiosým kloubovým robotem Titan s nosností 1 000 kg a vyložením ramene 3 200 mm. Neobotix používá všesměrová kola pro transportní roboty a jeho výrobní program zahrnuje spíše servisní typy s nosností od 50 do 120 kg.

Možné je použít i jiných typů všesměrových kol, např. kol, kde jsou obvodové válečky orientovány kolmo na obvod. Kola se v takovém případě uspořádávají do kruhu s minimálním počtem tří. Zvyšováním počtu kol u jakékoliv varianty systému se zvyšuje nosnost plošiny. Jednu nevýhodu přesto ale uvedené systémy mají. Je u nich třeba pamatovat na rovinnost povrchu, po kterém se pohybují. Mecanum kolo překonává nerovnosti jen do výšky poloviny průměru válečku.

Vývojem prochází i chapadla robotů, kde se začínají preferovat mechatronické systémy oproti pneumatickým. Mechatronické jsou flexibilnější při nasazování, přesnější je kontrola funkcí. Přes dražší úvodní investici jsou provozně méně náročné. Zajímavé je, že pro mechatronická řešení hovoří i otázky životního prostředí. Nejdál jdou v tom asi v Jižní Koreji, v zemi stojící na špičce vybavenosti výroby průmyslovými roboty, kde mechatronické systémy chapadel jsou předpisovány i zákonnými předpisy na ochranu životního prostředí. Známý výrobce chapadel firma Schunk už vypracovala celý koncept budoucího vývoje mechatronických chapadel ve třech základních představách. Mechatronická chapadla jako alternativu k pneumatickým, mechatronická chapadla inteligentní a mechatronická chapadla adaptabilní. U inteligentních se předpokládá, že mohou převzít i některé funkce řídicích systémů při pozičních úkolech, adaptabilní budou vybavena vlastními servomotory. V nejbližší době poběží ve výrobě ještě obě verze, pneumatická i mechatronická – pro pneumatiku hovoři nižší investice, robustnost a zatím jednodušší obsluha.

Tím zdaleka není vyčerpán přehled novinek veletrhu Automatika 2012. Prakticky každý exponát posunul technickou laťku opět o něco výš. Tak třeba u robotů Scara se dvěma rameny a čtyřmi stupni volnosti se dostal Mitsubishi Electric u typu RP-1AH, speciálně vyvinutého pro ukládání dílů při mikromanipulaci, až na přesnost pěti tisícin mm, což představuje přibližně desetinu tloušťky lidského vlasu. U kloubovýh robotů Motoman, u typu VA1400 se sedmi stupni volnosti, dál zvýšil šance na větší hustotu pracovišť na omezeném místě a zrychluje se i kinematika, kde např. Stäubli představil u Scara robotu Fast Picker TP 80 ultrarychlou čtvrtou osou kinematiku s až 200 manipulačními úkony za minutu. Téměř všichni přední výrobci robotické techniky představili i nové systémy řízení dovolující i intuitivní postupy, většinou s jednoduchou obsluhou přes dotykové displeje. U ručního systému Reis Robot StarVI ve formě tabletu ReisPad se už od příštího roku očekává i bezdrátová varianta ovládání.

Příští ročník veletrhu Automatica se koná od 20 do 23. května 2014.

Ing. Jiří Šmíd
Mnichov, Německo

iia.smid@gmail.com

Společnost ABB představila kompletní nabídku robotů, včetně světoznámého robotu FlexPicker druhé generace (IRB 360) pro rychlou manipulaci typu „pick and place“. Byly zde zastoupeny i roboty střední velikosti (osvědčený IRB 4600) a velké roboty, například novinka – robot IRB 6640. Návštěvníci viděli také Service Intelligence Unit – nástroj, který on-line diagnostikoval všechny roboty ABB umístěné na veletrhu, ale také roboty v lokalitách po celém světě.

Společnost FANUC Robotics zaujala rozsáhlou expozicí typické žluté barvy. Zde byly k vidění jak štíhlé roboty s paralelní kinematikou a vysokou přesností i rychlostí přenosu, tak mohutný transportní průmyslový robot přemisťující do přesné polohy těžký kompozitový blok.

V hale B3 roboty nejenže ukazovaly své manipulační schopnosti, ale v působivé, oranžově laděné expozici Kuka Roboter doslova tančily. Kromě robotů Agilus společnost Kuka představila taký vývojový vzorek jiného malého robotu: sedmiosý robot LWR je určen pro současnou práci robotu s lidskou obsluhou. V hale B2 na první pohled zaujal exponát Motoman SDA firmy Yaskawa se dvěma robotickými rameny a s vysoce výkonným zápěstím jako ideální řešení pro celou řadu montážních, přepravních a obslužných činností a úkolů týkajících se manipulace, které mohl dříve vykonávat pouze člověk.

-jk-