Ventil 2 / 2018 • Letnik 24 Izvleček: Uporaba robotov v maloserijski proizvodnji je težavna, saj je menjava serije izdelkov drag, časovno zamu- den proces. Roboti se zato najpogosteje uporabljajo v velikoserijski proizvodnji, kjer dalj časa opravljajo iste naloge. Da bi omogočili robotizacijo maloserijske proizvodnje, ki je značilna za majhna in srednje velika podjetja (SME), je bila v sklopu evropskega projekta ReconCell razvita rekonfigurabilna robotska celica. Ta omogoča učinkovito avtomatizacijo izdelave majhnih serij raznolikih izdelkov. V članku so opisa- ni mehanski in programski gradniki, ki omogočajo prilagajanje celice spreminjajoči se proizvodnji. Članek obravnava tudi rezultate validacije rekonfigurabilne celice na industrijskih primerih. Ključne besede: robotska montaža, rekonfiguracija, modularnost, fleksibilno vpenjalo 136 1 Uvod Roboti se najpogosteje uporabljajo v velikoserijski proizvodnji z majhno raznolikostjo produktov. Glavni razlog za to je drag in zamuden proces menjave se- rije izdelkov. Klasični pristopi robotske proizvodnje zato za proizvodnjo raznolikih izdelkov niso primerni. Ob tem je potrebno poudariti, da je robot sam iz- redno prilagodljiv. V primeru sprememb lahko tako robota s programiranjem naučimo nove naloge (znotraj njegovega delovnega prostora) brez po- trebe po mehanskih spremembah. Vendar pa je programiranje robota proces, ki zahteva izobražen kader in je pogosto časovno potraten. V praksi bi bilo zelo neučinkovito izdelati program robota za serijo izdelkov, veliko nekaj deset kosov. Periferni moduli robotske celice so v primerjavi z ro- botom slabše prilagodljivi. Pogosto so zasnovani za izdelavo enega samega produkta in jih je ob menjavi serije potrebno fizično zamenjati. Primeri takih ele- mentov so vpenjalne priprave. Te so za proizvodno nalogo pogosto popolnoma specifične. Dodajanje novih funkcionalnosti v robotsko celico (npr. vijače- nje, vtiskovanje, strojni vid ipd.) je pogosto težavno. Da bi omilili vpliv zgoraj navedenih omejitev, je v sklopu projekta ReconCell nastala robotska celica naslednje generacije, prikazana na sliki 1. Ta upo- rablja fleksibilne in rekonfigurabilne pristope, s katerimi minimizira kompleksnost, stroške in čas, povezan z menjavo serije produktov. Članek je sestavljen iz petih poglavij. Drugo po- glavje opisuje inovativne mehanske elemente, upo- rabljene v rekonfigurabilni celici, tretje poglavje programske pristope, ki poenostavljajo programira- nje robotov, četrto poglavje pa metode validacije inovativnih konceptov, predstavljenih v drugem in tretjem poglavju. Zaključki so predstavljeni v petem poglavju. 2 Rekonfigurabilna strojna oprema Robotsko celico projekta ReconCell sestavljata dva robota UR10, pritrjena na rekonfigurabilno ogrodje. Ogrodje je opremljeno s konektorji Plug and Produ- ce (PnP), na katere je mogoče priključiti periferne module. Ti dajejo celici funkcionalnosti, potrebne za izvršitev specifične proizvodne naloge. V celici ločimo dva mehanizma rekonfiguracije. Prvi je v celoti avtonomen in zato najhitrejši. Gre za t. i. robotsko podprto rekonfiguracijo, pri kateri robot izvede prilagoditev mehanskih elementov [1]. Ele- menta celice, ki uporabljata tovrstno rekonfiguraci- jo, sta rekonfigurabilno vpenjalo in pasivna linearna stopnja. Drugi je mehanizem, ki uporablja konektorje Plug and produce, s katerimi je mogoče v celico doda- jati periferne elemente. Ti dajejo celici funkcional- nosti, potrebne za uspešno izvršitev proizvodne naloge. Dodajamo jih ročno, zato je ta rekonfi- guracija nekoliko počasnejša. Razvite rešitve, ki omogočajo omenjena mehanizma rekonfiugracije robotske celice, so podrobneje opisane v nadalje- vanju poglavja. rekonfiGurabilna in Modularna robotska celica za Maloserijsko proizvodnjo Martin Bem, Timotej Gašpar, Igor Kovač, Aleš Ude REKONFIGURABILNA PROIZVODNJA Martin Bem, Timotej Gašpar, mag. inž. el., doc. dr. Igor Kovač, univ. dipl. inž., prof. dr. Aleš Ude, univ. dipl. inž., vsi Institut »Jožef Stefan« Ventil 2 / 2018 • Letnik 24 137 2.1 Rekonfigurabilno vpenjalo Rekonfigurabilno vpenjalo je del robotske celice, ki natančno pozicionira in fiksira obdelovanec med izvajanjem robotskih operacij. Običajno so vpenjal- ne priprave zasnovane zgolj za en tip obdelovan- ca. V primeru menjave serije je potrebno vpenjalne priprave na novo zasnovati, zdelati in namestiti. Ta proces je drag, časovno zamuden in potrebuje kva- lificirano delovno silo. Da bi proces menjave serij pohitrili, je v robotski celici uporabljena inovativna fleksibilna vpenjalna priprava. Ta temelji na pasivni Stewartovi platformi (hexapodu) in je produkt obsežnih predhodnih raz- iskav [3, 4]. V projektu je nastalo tudi odcepljeno podjetje, odgovorno za komercializacijo omenjene tehnologije [4]. Stewartov mehanizem, ki omogoča rekonfiguraci- jo vpenjala, je sestavljen iz dveh plošč, povezanih s šestimi pasivnimi cilindričnimi vezmi. Spodnja plo- šča mehanizma je togo pritrjena na ogrodje celice, zgornja pa ima (v odklenjenem stanju) šest prosto- stnih stopenj. Vsaka od šestih cilindričnih vezi je opremljena z hidromehansko zavoro, ki mehanizem zaklene. Paralelna narava mehanizma omogoča odlično togost v zaklenjenem stanju [2]. Rekonfi- guracijo je mogoče izvesti ročno ali s pomočjo zu- nanjega mehanizma, npr. robota. 2.2 Tehnologija Plug and produce (PnP) Plug and Produce je skovanka, ki temelji na izrazu Plug and Play. Ta na področju računalništva impli- cira enostavno priključitev perifernih naprav (npr. tiskalnika). V primeru PnP gre za način dodajanja perifernih modulov robotske celice, ki so specifični za določeno proizvodno nalogo. Ključna omogoči- tvena tehnologija je v projektu razvit PnP-konektor, ki je sestavljen iz dveh delov, od katerih je eden pri- trjen na ogrodje celice, drugi pa na periferni modul. Konektor omogoča ponovljivo mehansko sklopitev z ogrodjem in prenos podatkov (Ethernet), napa- janja ter pnevmatike. Skladno s filozofijo interne- ta stvari (IoT) so moduli samostojni, saj vsebujejo krmilne in aktuacijske elemente, potrebne za svoje delovanje. Tako je mogoče hitro in preprosto me- njati periferne module. Ko modul s PnP-konektor- jem priključimo na ogrodje celice, je ta pripravljen za uporabo. Primeri modulov, ki jih uporabljamo v montaži av- tomobilskih žarometov, so: modul za shranjevanje sestavnih delov, modul za shranjevanje robotskih prijemalk in modul za vpenjanje ohišja luči. PnP- -modul za shranjevanje robotskih prijemalk je pri- kazan na sliki 2. 2.3 Pasivna linearna stopnja Linearne stopnje uporabljamo, ko želimo povečati delovno območje robota. Običajno so opremljene z aktuatorji, s katerimi pomikajo bazo robota, ter z merilnimi zaznavali, s katerimi določajo pozicijo. Takšne rešitve so zaradi potrebe po visoki natanč- nosti pomikov drage. REKONFIGURABILNA PROIZVODNJA Slika 1 : Rekonfigurabilna robotska celica Slika 2 : PnP-modul za shranjevanje robotskih prijemalk Slika 3 : Pasivna linearna stopnja Ventil 2 / 2018 • Letnik 24138 Za aplikacije, pri katerih se pomiki baze ne dogaja- jo pogosto, smo v projektu ReconCell razvili inova- tivno pasivno linearno stopnjo, prikazano na sliki 3. Slednja nima niti aktuatorjev niti merilnih zaznaval. Edini aktivni elementi so pnevmatske zavore, s ka- terimi se ohranja želena lega baze. Pasivna linearna stopnja za premikanje uporablja merilni in aktuacij- ski sistem robota. Robot se z izmenjevalcem orodja mehansko spoji z okvirjem celice, sprosti zavore in premakne svojo bazo. S poznavanjem kinematike robota in kotov v sklepih je mogoče natančno izra- čunati novo pozicijo baze. 3 Programska oprema Roboti se običajno programirajo neposredno z upo- rabo tovarniškega vmesnika, kar zahteva znanja, specifična za posameznega proizvajalca robota. V primeru izdelave novega programa celice podjetja pogosto najamejo zunanje izvajalce, kar povečuje stroške in pogosto podaljša čase menjave serij. Da bi olajšali programiranje robotske naloge, smo v projektu razvili lasten programski sistem, ki temelji na intuitivnih metodah programiranja. Celoten sistem robotske celice deluje znotraj siste- ma Robot Operating System (ROS) [5], za nizkoni- vojsko vodenje robota pa skrbi strežnik Matlab Si- mulink Real-Time (SLRT) [6]. ROS ponuja zanesljivo odprtokodno ogrodje, možnost razvoja programov na različnih platformah ter veliko zbirko knjižnic in orodij za razvijanje robotskih aplikacij, SLRT-stre- žnik pa skrbi za časovno kritične procese. 3.1 Kinestetično učenje robotskih nalog V zadnjih letih se je na trgu pojavil trend uvajanja sodelujočih (kolaborativnih) robotov. Zanje je zna- čilno, da so certificirani za sodelovanje s človekom brez potrebe po varnostnih ogradah. Ta tehnologija potrebuje za delovanje zaznavala navorov v vsakem robotskem sklepu. Podatke teh zaznaval je mogoče uporabiti tudi za t. i. kinestetično vodenje. Robote, sposobne kinestetičnega vodenja, je mogoče pre- mikati po prostoru tako, da robota primemo in fi- zično premaknemo v želeno lego. S pomočjo enko- derjev v sklepih in znanega kinematičnega modela je tako mogoče robota učiti proizvodne naloge. V projektu uporabljen robot omogoča kinestetično vodenje. V projektu razvit sistem omogoča kineste- tični zajem posameznih točk ali celotne trajektorije v sklepnih ali kartezičnih koordinatah. Sistem je ne- odvisen od proizvajalca in modela robota. Izdelan je bil tudi vmesnik, nameščen na robotu, s pomočjo katerega je mogoče vključiti kinestetični način manipulacije robota ter shranjevati točke ali trajektorije. Prikazan je na sliki 4. 4 Testiranje Naslednje poglavje opisuje metode testiranja ino- vacij in dosežene rezultate. Večino inovacij smo preizkusili na primerih iz industrije ter tako pokazali njihovo aplikativno vrednost. Fleksibilne vpenjalne priprave smo preizkusili na primeru montaže dveh različnih avtomobilskih ža- rometov. Za vpetje vsakega tipa žarometa smo v celici uporabili po tri rekonfigurabilne vpenjalne naprave (slika 5). Dve napravi sta bili opremljeni s pnevmatsko spono, ena pa je ohišje luči zgolj pa- sivno podprla. Rekonfiguracija vpenjalne priprave za vpetje dolo- čenega modela žarometa je izvedena popolnoma avtonomno, brez človeškega posredovanja, in traja manj kot 3 minute. Na vpetih žarometih smo testirali tudi robotsko montažno nalogo. Pri obeh različicah žarometov smo robotsko montažno nalogo uspešno opravili. Tako smo pokazali, da tehnologija rekonfigu- rabilnih vpenjal omogoča avtonomno časovno učin- kovito prilagoditev celice znotraj družine izdelkov. Programiranje robotskih nalog je bilo izvedeno s pomočjo kinestetičnega učenja. Pri programiranju smo si pomagali z razvitim robotskim vmesnikom, prikazanim na sliki 4. Programiranje robotske na- loge je bilo hitro in učinkovito, saj smo se izognili uporabi originalnega robotskega vmesnika. PnP-tehnologijo smo eksperimentalno testirali tako, da smo celico, konfigurirano za montažo avtomo- bilskih žarometov, rekonfigurirali v robotsko celico povsem nove strukture in vsebine, v našem primeru namenjeno izdelavi motorjev za pametno pohištvo. Rekonfiguracija celotne celice je bila uspešna in je trajala manj kot 10 minut. Pasivno linearno stopnjo smo testirali tako, da smo bazo robota premaknili iz ene v drugo skrajno lego. Ob premikanju smo s pomočjo zaznavala, name- ščenega na vrhu robota, merili za pomik potrebno silo. Premik robota smo uspešno izvedli. REKONFIGURABILNA PROIZVODNJA Slika 4 : Robotski vmesnik, ki omogoča vklop kineste- tičnega učenja in zajem točk Ventil 2 / 2018 • Letnik 24 139 5 Zaključek V članku so predstavljene inovacije, s katerimi je mogoče robotsko celico hitro in preprosto prilago- diti na različne proizvodne naloge. Rekonfiguracijo mehanskih gradnikov dosežemo s pomočjo robot- sko podprte rekonfiguracije in PnP-modularnosti. Robotsko podprta rekonfiguracija omogoča avto- nomno prilagoditev mehanskih gradnikov na proi- zvodnjo podobnega produkta. Izvede jo robot, zato je hitra in avtonomna. Ker ne potrebujejo dodatnih aktuatorjev in merilnih zaznaval, so takšne rešitve tudi cenovno ugodne. PnP-koncept robotski celici omogoča, da vanjo po potrebi dodajamo periferne module. Ti ji dajejo funkcionalnosti, ki so potrebne za izvršitev proizvo- dne naloge. Na ta način je mogoče celico prilagodi- ti na popolnoma drugačne proizvodne naloge. V članku so opisane implementirane napredne me- tode programiranja robota. Učenje robotskih nalog s pomočjo kinestetičnega vodenja je intuitivno in ne potrebuje posebnega usposabljanja. Robotski vmesnik pa programiranje bistveno pospeši. Inovativna načela celice so bila preizkušena na na- logah iz industrije. Rezultati so pokazali velik po- tencial, saj razviti koncepti omogočajo učinkovito robotsko proizvodnjo raznovrstnih izdelkov. To je v današnjem času nepogrešljivo, saj postajajo posa- mezniku prilagojeni izdelki zaradi svoje visoke do- dane vrednosti pomembna tržna niša. Literatura [1] M. Goeodl, I. Kovač, and A. Frank, “A robot guided reconfigurable assembly system,” presented at the 3rd International Conferen- ce on Reconfigurable Manufacturing, Ann Ar- bor Michigna USA, 2005. [2] M. Bem et al., “Reconfigurable fixture evaluati- on for use in automotive light assembly,” pre- sented at the International Conference on Ad- vanced Robotics, Hong Kong, 2017, pp. 61–67. [3] M. Gödl, I. Kovač, A. Frank, A. Rechberger, and K. Haring, “New robot guided fixture concept for recongurable assembly systems,” presen- ted at the International Conference on Chan- geable, Agile, Recongurable and Virtual Pro- duction, München, Garching, Germany, 2005. [4] “Home,” FlexHex Robot. [Online]. Available: http://flexhex-robot.com/. [Dostop: 1. dec. 2017] [5] M. Quigley et al., “ROS: an open-source Ro- bot Operating System,” in ICRA workshop on open source software, 2009, vol. 3, p. 5. [6] “Simulink Real-Time - Simulink - MATLAB & Simulink.” [Online]. Available: https://www. mathworks.com/products/simulink-real-ti- me.html. [Dostop: 14. marec] Slika 5 : Dva modela avtomobilskih luči, vpeta v rekonfigurabilno vpenjalo REKONFIGURABILNA PROIZVODNJA Specific Gripper Implementation for Gripping and Visual Control Abstract: The use of robots in few of a kind production is difficult because batch changeover is an expensive and ti- me-consuming process. Robotic production, is therefore commonly used in large-scale production, where robots execute the same production tasks for a longer period of time. In order to enable the robotization of few of a kind production, common in small and medium enterprises (SME) the next generation of robo- tic cells was developed as part of the ReconCell project. The cell is capable of efficiently producing small batches of personalized products. The paper describes mechanical and software elements of the cell as well as the results of testing the the innovations on real life industrial applications. Keywords: Robotic assembly, reconfiguration, modularity, flexible fixture