Robotit kehittyvät Teollisuus 4.0:ssa coboteiksi

Teollisuusrobotit tulivat esiin Teollisuus 3.0:n aamunkoitossa yhdessä tietokoneohjauksen ja automaation kanssa. Ne ovat vuosien mittaan kehittyneet ja eri aloille ja prosesseihin on kehitetty erikoisrobotteja. Robotit on suunniteltu massatuotantoon. Ne toimivat yleensä yksin, muista erillään ja keskittyvät tiettyihin tehtäviin. Jotkin robotit ovat Teollisuus 4.0:n, kyberfyysisten järjestelmien ja Esineiden Internetin (IoT) ilmaantumisen myötä kehittyneet yhteistyöroboteiksi eli coboteiksi. Cobotit ovat vuorovaikutuksessa ympäristönsä – myös ihmisten ja muiden robottien – kanssa ja ne tukevat joustavaa valmistusta sekä massaräätälöintiä (kuva 1).

Kuva 1: Perinteiset teollisuusrobotit toimivat yksin (vasemmalla), kun taas cobotit (oikealla) on suunniteltu toimimaan vuorovaikutuksessa ympäristönsä, mukaan lukien ihmisten ja muiden robottien tai koneiden kanssa. (Kuvan lähde: Omron)

Kehityskulku robotista cobottiin sisältää lukuisia muutoksia: cobotit toimivat eri tavalla, ne ohjelmoidaan eri tavalla, ne ovat usein pienempiä ja yksinkertaisempia sekä toisinaan ne liikkuvat, niitä käytetään erilaisissa prosesseissa kuin robotteja ja niiden täytyy täyttää erilaiset turvallisuusvaatimukset. Cobotit eivät yleensä kilpaile robottien kanssa tai korvaa niitä, vaan ne laajentavat automaattisten prosessien hyödyntämismahdollisuuksia.

Tässä artikkelissa käsitellään robottien kehitystä coboteiksi, vertaillaan robottien ja cobottien toimintatapojen eroja, käydään läpi cobottien kanssa käytettäviä ohjelmointimenetelmiä, käsitellään tekoälyn (AI), IoT:n ja muiden teknologioiden käyttöä cobottien liikkumisen apuna sekä vuorovaikutusta ihmisten kanssa, esitetään esimerkkejä sovelluksista, joissa cobotit toimivat erityisen hyvin, kuten pinnankäsittelyssä, laadunvalvonnassa tai logistiikassa / materiaalien kuljetuksessa, sekä käydään läpi cobotteja koskevia laajennettuja turvallisuusvaatimuksia. Artikkeli antaa kokonaiskuvan tulevaisuuden kyberfyysisistä toiminnoista, joissa robotit, cobotit ja ihmiset toimivat yhdessä tuottavuuden ja laadun maksimoimiseksi ja kokonaiskustannusten minimoimiseksi.

Cobotit on suunniteltu sekä toimimaan yhdessä ihmisten kanssa että siirtymään paikasta toiseen (kuva 2). Nämä ominaisuudet vaikuttavat merkittävästi cobottien ohjelmointiin, niiden käyttöympäristöihin ja ‑tilanteisiin sekä cobottien turvallisuusvaatimuksiin.

Kuva 2: Cobotit voi siirtää paikasta toiseen tehtävien ja tarpeiden mukaan. (Kuvan lähde: Omron)

Cobottien opettaminen

Teollisuusrobottien ohjelmoinnissa käytetään sellaisia kieliä kuten C ja C++. Cobotit ovat siinä määrin kehittyneitä, että niitä voidaan ”opettaa” erilaisilla työkaluilla, jotka eivät perustu koodaukseen, kuten riippuohjaimilla, tableteilla tai jopa manuaalisesti siirtämällä cobotin käsivartta paikasta toiseen (kuva 3). Erilaisten opetusmenetelmien hyödyntäminen perinteisen ohjelmoinnin sijaan auttaa cobotteja oppimaan uusia tehtäviä nopeammin. Tämä onkin tärkeää, kun cobotti siirretään tehtävästä toiseen. Ajankäyttö teollisuusrobotin ohjelmointiin on taloudellisesti järkevää, koska robottia käytetään suuren tuotantomäärän sovelluksissa melko pitkiä aikoja kerrallaan. Cobottien täytyy toisaalta oppia uudet prosessit nopeasti, jotta käyttökatkosta ei tule liian pitkää. Koneoperaattorit voivat opettaa coboteille tiettyjä tehtäviä ilman ohjelmoijien tukea. Cobotin voi opettaa muutamassa minuutissa esimerkiksi latomaan ja tarkistamaan tulokset visuaalisesti.

Kuva 3: Cobottia voi kouluttaa siirtämällä sen käsivartta paikasta toiseen. Operaattorin oikea käsi on cobotin suuriresoluutioisen kameran päällä, joten cobotti näkee, missä sen käsivarsi on ja mitä siinä kohdassa on. (Kuvan lähde: Omron)

Tekoälyn yhdistäminen konenäköön voi helpottaa cobotin oppimista ja toimintaa. Älykkäät cobottinäköjärjestelmät tarjoavat paljon mahdollisuuksia, kuten objektin tunnistaminen ja sijoittaminen tiettyyn paikkaan, viivakoodin ja toteemin tulkitseminen, kuvioiden kohdistaminen ja värintunnistus. Näköjärjestelmän ansiosta cobotille voidaan opettaa uusi prosessi myös ohjaamalla sitä käsiliikkeillä. Toisissa tapauksissa koneiden operaattorit pystyvät opettamaan cobotin nopeasti ja tehokkaasti tabletin vuokaaviopohjaisella vedä ja pudota ‑järjestelmällä (kuva 4).

Kuva 4: Intuitiivinen vedä ja pudota ‑opetus/ohjelmointi maksimoi cobotin tuottavuuden ja joustavuuden. (Kuvan lähde: Omron)

Cobotit voivat työskennellä yhdessä ihmisten kanssa, minkä lisäksi ne voivat siirtyä tehtävästä toiseen autonomisten mobiilirobottien (AMR) avulla (kuva 5). AMR:t ovat erikoiscobotteja, jotka toimivat yhteistyössä ihmisten, cobottien, robottien ja koneiden kanssa. Ne ovat erittäin tehokkaita esimerkiksi materiaalien käsittelyssä. Cobotin siirtäminen paikasta toiseen on materiaalien käsittelyn tapaan melko yksinkertainen toiminto, joten se sopii hyvin AMR:n tehtäväksi. AMR navigoi paikasta toiseen ja hahmottaa lähiympäristönsä omien anturiensa ja tietokoneidensa avulla. Langattomat yhteydet keskustietokoneille ja laitoksen kehittyneisiin anturiverkkoihin auttavat AMR-robottia ymmärtämään suunnitellun reitin varrella olevat esteet ja navigoimaan tehokkaasti niiden ympäri – ne osaavat kiertää esimerkiksi työpisteiden, telineiden ja robottien kaltaisten kiinteiden esteiden lisäksi myös liikkuvat esteet, kuten trukit, toiset AMR-robotit ja ihmiset.

Kuva 5: Autonominen mobiilirobotti (alla) voi ottaa manipulaattoricobotin (päällä) kyytiin ja kuljettaa sen toiseen työpisteeseen. (Kuvan lähde: Omron)

Millaiseen käyttöön cobotit soveltuvat?

Cobottien kyky toimia yhteistyössä AMR-robottien, ihmisten, muiden robottien ja koneiden kanssa tarjoaa uudenlaisia automaatiomahdollisuuksia. Coboteille on löytynyt käyttöä massaräätälöinnissä monilla eri aloilla ja erilaisissa prosesseissa, kuten kokoonpanossa, jakelussa, ruuvauksessa, koneenhoidossa, kuormalavalle pakkauksessa ja ladonnassa. Myös toimialat vaihtelevat autoteollisuudesta elintarvikkeiden valmistukseen ja puolijohdetuotantoon (kuva 6).

Kuva 6: Cobotit ovat joustavia ja soveltuvat monenlaisiin käyttökohteisiin. (Kuvan lähde: Omron)

Toistotehtävien tai monimutkaisten kokoonpanotehtävien kaltaiset tehtävät voi hoitaa tehokkaasti käyttämällä cobotteja ihmisten apuna. Kun cobottia käytetään yhdessä AMR-robotin kanssa, se voi tehostaa monimutkaisia poimimistehtäviä ja materiaalien toimitusta työpisteisiin. Kun materiaalit saapuvat linjan päähän, cobotti voi pakata tuotteet nopeasti kuormalavalle toimitusta varten. Cobotit voivat konenäön ja tekoälyn avulla tarkistaa valmiit osat, lajitella niitä, poimia niitä kuljettimelta ja pakata niitä laatikoihin. Cobotit pystyvät mukauttamaan toimintaansa nopeasti ja sopeutumaan uusiin tuotteisiin sekä kausivaihteluihin.

Kuten edellä on todettu, cobotit mukautuvat erilaisiin valmistusprosesseihin, kuten koneenhoitoon, ruuvaukseen ja jakeluun. Cobotit voivat vapauttaa ihmiset toistotyöstä ja mahdollisesti vaarallisista tehtävistä esimerkiksi CNC-keskusten, leimaus- ja lävistyspuristimien ja ruiskuvaluasemien hoidossa. Ruuvauscobotit ovat tarkempia ja tarjoavat tasaisemman vääntömomentin eli parantavat laatua manuaaliseen kokoonpanoon verrattuna. Erilaiset materiaalit, kuten liimat, tiivistysaineet, maalit ja muiden pintakäsittelyaineet, voidaan annostella coboteilla erittäin tarkasti. Cobottien päätetyövälineet voi vaihtaa, joten cobotit voivat siirtyä tarpeen mukaan tehtävästä toiseen (kuva 7).

Kuva 7: Cobotin päätetyövälineet voi vaihtaa helposti tarvittavan tehtävän mukaan. Cobotti pystyykin siirtymään joustavasti tuotantovaatimuksesta toiseen ja käyttökatko jää lyhyeksi. Suuriresoluutioinen kamera ja tekoälypohjaiset näköjärjestelmät ovat kaksi yleisimmin käytettyä päätetyövälinettä. (Kuvan lähde: Omron)

Valmiiden osien tai tuotteiden tarkistuksessa on hyötyä cobotin konenäöstä. Jos osa on monimutkainen, huolelliseen tarkistukseen voidaan tarvita useita eri kulmista otettuja kuvia korkealla resoluutiolla, jolloin joudutaan käyttämään useita paikallaan pysyviä kameroita. Sen sijaan yhdellä kameralla varustettu cobotti pystyy tunnistamaan tarkistettavan osan ja liikkumaan sen ympärillä sekä ottamaan kaikki täydelliseen visuaaliseen tarkistukseen tarvittavat kuvat.

Cobottien turvallisuuden kehitys

Cobottien kehittyessä myös turvallisuusnäkökohdat ovat kehittyneet. Cobottien turvallisuusvaatimukset ovat monimutkaisempia kuin teollisuusrobottien. Cobotti-ihmistiimissä yhdistyvät robottien toistotyöhön sopivat ominaisuudet ja ihmisen yksilölliset taidot sekä joustavuus. Cobotit (ja robotit) loistavat tehtävissä, joissa vaaditaan tarkkuutta, kestävyyttä ja voimaa, ihmiset taas epätäsmällisten tilanteiden ja vaihtelevien ongelmien ratkaisussa. Näiden toisiaan täydentävien ominaisuuksien yhdistämiseen liittyy haasteita ihmisten ja cobottien välisessä turvallisessa vuorovaikutuksessa.

Teollisuusrobottien turvallisuusstandardit perustuvat yleensä siihen, ettei operaattori ole työskentelytilassa, kun robotti on toiminnassa. Cobottien turvallisuudessa otetaan huomioon vuorovaikutus ihmisten kanssa. Cobotin turvallisuuden määrittämisessä sen nopeus, vääntömomentti ja voiman raja-arvot ovat tärkeällä sijalla. Niissä on myös sekä hätäpysäytys että suojapysäytystoiminto.

Operaattori aktivoi cobotin hätäpysäytyksen, joka pysäyttää cobotin kaikki liikkeet ja katkaisee sen virran. Hätäpysäytyksen jälkeen cobotti on käynnistettävä uudelleen. Suojapysäytys tapahtuu automaattisesti, kun joku tulee cobotin suojatilaan (kuva 8). Suojapysäytys ei katkaise cobotin virransyöttöä. Suojapysäytyksen aikana cobotin enkooderit myös pitävät silmällä tahattomia liikkeitä. Jos tahatonta liikettä havaitaan, cobotin virransyöttö katkeaa.

Kuva 8: Cobottia ympäröivä karteesinen suojatila (sininen kehys) voi olla suorakulmainen tai sylinterimäinen. Se määrittää sulkuvyöhykkeen. Jos cobotin vieressä työskentelevä ihminen menee sulkuvyöhykkeelle, cobotin suojapysäytys aktivoituu. (Kuvan lähde: Omron)

Joissakin coboteissa on kaksi toimintanopeusasetusta, joista toisella saavutetaan maksimaalinen suorituskyky ja toinen on mahdollisimman turvallinen. Suorituskykyistä asetusta käytettäessä oletetaan, ettei kukaan mene cobotin suojatilaan, ja cobotti toimii nopeasti ja mahdollisimman tuottavasti. Jos joku menee suojatilaan, cobotti siirtyy automaattisesti ihminen–cobotti-tilaan ja varmistaa turvallisuuden pienentämällä nopeuksia, vääntömomentteja ja voimia.

Cobottien turvallisuuteen liittyvät standardit ja ohjeet kehittyvät koko ajan. ISO-standardissa 15066:2016 ja RIA Technical Reportissa 15.606-2016 kuvaillaan neljä yhteistyötekniikkaa, joilla ihmistyöntekijöihin kohdistuvia riskejä voidaan vähentää: turvaluokiteltu valvottu pysäytys, käsin ohjaaminen, nopeuden ja vähimmäisetäisyyden valvonta sekä tehon ja voiman rajoittaminen (PFL). TS 15066 on normatiivinen, ja siinä kuvaillaan standardin noudattamiseksi vaadittavat vaiheet yksityiskohtaisesti. TS 15.606 on informatiivinen, ja se sisältää tietoja ja menetelmiä, joiden avulla standardin vaatimukset voidaan täyttää.

RIA TR R15.806-2018 ‑raportissa kuvaillaan PFL-järjestelmän käyttämien voimien testausmenetelmä. Standardin nopeuden ja välimatkan valvontaan liittyvien vaatimusten täyttäminen edellyttää anturijärjestelmien käyttöä. PFL-järjestelmissä ja turvaluokitelluissa valvotuissa pysäytyksissä on varmistettava turvallisuus sulkuvyöhykkeillä.

ISO 13855:2010 ‑standardissa määritellään suojausteknisten laitteiden sijoitus ottaen huomioon kehon osien lähestymisnopeudet. Siinä määritellään menetelmä havaitsemis-/sulkuvyöhykkeen ja vaaravyöhykkeen välisten vähimmäisetäisyyksien määrittelemiseksi tai suojausteknisten laitteiden aktivoimiseksi.

Yhteenveto

Yhteistyö on Teollisuus 4.0:n ja kyberfyysisten järjestelmien tunnusominaisuus, ja coboteilla on tärkeä rooli korkeamman tason yhteistyön edistäjänä. Cobotit kehittyvät jatkuvasti ja muuttuvat helpommiksi, turvallisemmiksi ja joustavammiksi käyttää. Cobottien opetustyökalujen ja tekoälyn kehittyminen tekee cobottien käytöstä intuitiivisempaa. Cobottien ihminen-kone-rajapintojen (HMI) kehittyminen parantaa tuottavuutta ja massaräätälöidyn tuotannon laatua. Cobotit eivät korvaa robotteja, vaan laajentavat automatisointimahdollisuuksia, ja robottien, cobottien ja ihmisten välinen raja käy yhä muuttuvammaksi. Coboteista on tulossa pikemminkin kollegoja kuin teollisuusrobotteja. Niiden turvallisuusstandardit laajentuvat, ja yhä tärkeämpää on varmistaa, että tuottavuus paranee cobottien ja ihmisten yhteistyössä turvallisesti.