Avainsana: Kobotti
Kobotiikan simulointia ja testausta tosielämästä
Kobotiikka on robotiikan ala, jossa robotti toimii yhteistyössä ihmisen kanssa. Kobotin työtehtäviin kuuluu usein toimiminen ihmisen kanssa tai itsenäisesti tuotantolinjalla. Kobotin ohjelmointi on myös tehty helpoksi, joten sen siirtäminen ja toimintakuntoon saattaminen tapahtuu nopeasti. Tällöin laite voidaan siirtää sinne, missä kapasiteettia tarvitaan. Työskentely kobotin läheisyydessä on turvallista, eikä se tarvitse suojakehikkoa tai muita turvalaitteita ympärilleen. Koboteissa on nivelten voima-anturit tai pinnan kosketusanturit, joiden avulla kobotti voi pysähtyä vaarallisissa kontakteissa. Yleisesti kobotit ovat helppoja ohjelmoida ja monelle laitteelle ohjelmointi tapahtuu käsin opettamalla: siirtämällä kobotin tarttuja kädestä pitäen haluttuihin pisteisiin. Useilla eri robottivalmistajalla on omat kobottimallinsa. Suomessa yleisimpiä ovat ABB:n YuMi, Universal Roboticsin URx, KUKA Roboticsin Iiwa, Omronin TMx ja Techmanin TM-tuoteperhe. Lisäksi nykyisiin teollisuusrobotteihin on saatavana “pehmusteita”, joissa on kapasitiivinen anturi. Nämä pehmusteet toimivat kosketustunnistimina, jolloin robottia voidaan käyttää ilman suoja-aitoja kobotin tavoin. Tavallisen robotin ja turvaskannerin yhdistelmällä voidaan myös “kobotisoida” perinteinen teollisuusrobotti. Kobotiikasta tehtiin vuonna 2020 viisi projektia: Muuntosähkö, Hioma, Silmusalaatti, Etteplan ja Enics. Muuntosähkö Projektissa piti suunnitella kobottisolu, joka hitsaa muuntajia ja sinifilttereitä valmiiksi tuotteeksi. Tämä työvaihe tehtiin aikaisemmin käsiin, ja nyt olisi tarkoitus robotin avulla suorittaa vastaava toimenpide. Tehtäväksi muodostui jigin ja oikeastaan koko robottisolun suunnittelu alusta loppuun. Työssä päätettiin käyttää kääntöpöytää. Projektissa oli mukana kaksi opiskelijaryhmää, toinen koneautomaation ja toinen sähköautomaation koulutusohjelmasta. Tavoitteena oli simuloida eri työvaiheet, laskea simuloinnin avulla hitsaukseen kuluva aika ja sitä kautta kannattavuus- ja investointilaskelmat. Työ tehtiin syksyllä 2020. Projekti pysyi hyvin aikataulussa ja onnistui hyvin. Tuloksena saatiin asiakkaalle kobottisolun simulointivideot ja siihen liittyvät laskelmat. Hioma Projektissa oli tarkoitus automatisoida hiontakivien puristustyövaihe. Tätä varten varsinainen hiomakivi ja siihen liittyvät työkalut mallinnettiin CATIA-ohjelmistolla ja valmistettiin 3D-tulostamalla. Näillä osilla sitten hahmotettiin eri työvaiheet ja haettiin mahdollisuuksia automatisointiin. Parhaasta vaihtoehdosta tehtiin simulointimalli Visual Componentsin ohjelmistolla. Lopuksi oli tarkoitus tehdä testi vielä oikealla robotilla hiontakivien prässäyksestä, mutta siihen aika ei riittänyt. Työ tehtiin syksyn 2020 aikana. Projekti pysyi hyvin aikataulussa ja onnistui hyvin. Tuloksena saatiin asiakkaalle kobottisolun 3D-mallinnus ja ehdotus automatisoinnista. Työ jatkuu vielä yrityksen kanssa jatkoprojekteina. Silmusalaatti Projektissa piti käyttöön ottaa yrityksen aikaisemmin ostama kobotti. Tavoitteena oli suunnitella siihen uusi tarttuja ja suorittaa kannattavuuslaskelmia robotin käytöstä. Projektiin osallistui sekä sähköautomaation että liiketalouden opiskelijoita. Yrityksen kobotti siirrettiin Metropolian Myyrmäen kampukselle ja siellä tehtiin suurin osa tuotantotesteistä. Opiskelijat suunnittelivat uudenlaisen tarttujan, joka koostui metalli- ja muoviosista. Nämä oli 3D-tulostettu kampuksella. Tarttuja pystyi ottamaan viisi rasiaa kerralla, ja tämä riitti yrityksen tuotantonopeuteen. Kobottisolu tuli tuotantolinjan loppupäähän, jossa rasiat pakataan isompaan laatikkoon. Työ tehtiin syksyn 2020 aikana. Projekti pysyi hyvin aikataulussa ja onnistui erittäin hyvin. Tuloksena saatiin asiakkaalle toimiva tuotantolinjalle sopiva kobottisolu. Etteplan Projektissa oli tarkoitus tutkia eri vaihtoehtoja teollisuusrobotin turvallistamiseksi, ts. pyrittiin saamaan robotti reagoimaan ympäristöönsä, jolloin ei tarvita raskaita raja-aitoja robottisolun ympärille. Tähän käytettiin laserskanneria, joka havainnoi ympäristöään, ja saadun tiedon perusteella robotti joko hidastaa vauhtia tai pysäyttää toiminnan. Sama tekniikka on jo käytössä vihivaunuissa. Projektissa oli käytössä SICKin laserskanneri ja yrityksen laite- ja ohjelmisto-osaamista. Toimintaa simuloitiin Visual Componentsin ohjelmistolla ja lopulliset robottiohjelmat tehtiin ABB:n Robotstudio-ohjelmalla. Työ tehtiin kevään 2020 aikana. Projekti pysyi hyvin aikataulussa ja onnistui erittäin hyvin. Tuloksena saatiin asiakkaalle myytävä tuote. Enics Projektissa tutkittiin kobotin käyttöä elektroniikkateollisuuden kokoonpanotehtäviin ja siinä nimenomaan piirilevyjen siirtelyyn makasiiniin ja makasiinista pois. Projektissa tehtiin sekä fyysisiä testejä oikeilla komponenteilla, piirilevyillä ja makasiineilla että simulaattoritestejä virtuaalimaailmassa. Simuloinnissa käytettiin ABB:n Robotstudio-ohjelmistoa ja fyysiset testit tehtiin Myyrmäen kampuksella, aluksi käyttäen Metropolian Yumi-robottia. Simulaattoritestissä paljastui ulottuvuusongelmia, joita vielä koetettiin ratkaista oikealla robotilla. Projektissa selvisi aika nopeasti, että oma osaaminen ei riittänyt tehtävän simuloimiseen. Onneksi saimme ABB:ltä arvokasta apua Robotstudion käyttämiseen. Piirilevy oli sen verran painava, että se piti nostaa molemmilla käsivarsilla ja näin tehty synkronointiliike olikin hankala toteuttaa. Yumilla se kuitenkin saatiin onnistumaan. Simulaattorissa liike saatiin suoritettua helposti, mutta sitten kun tehtiin sama liike oikealla robotilla, paljastuikin, että kuorma oli kuitenkin liikaa varsinkin ulottuma-alueen äärirajoilla. Vaikka testi saatiin onnistumaan, tultiin siihen lopputulokseen, että Yumin käyttäminen projektissa olisi aika vaikeata. Robotin moottoreiden kuormittaminen äärirajoille jatkuvassa kolmivuorotyössä kuluttaisi sen loppuun hyvinkin nopeasti. Lopuksi Vaikka yleisesti robottien/kobottien pelätään vievän ihmisiltä työpaikat, robotiikalla on todellista potentiaalia luoda työpaikkoja, parantaa tuottavuutta ja turvallisuutta. Robotiikka ottaa ihmisen paikan joissain tehtävissä, mutta samalla synnyttää uusia työpaikkoja itse robottiin liittyvissä tehtävissä. Kirjoittaja: Timo Tuominen Lehtori timo.tuominen@metropolia.fi Metropolia Ammattikorkeakoulu
Cobotti hyppäsi kyytiin
Rakkaalla lapsella on monta nimeä: kobotti, cobotti, yhteistyörobotti tai kenties yhteistoiminnallinen robotti. Remu Aaltonen varmaan käyttäisi sanaa gobotti isolla tupla-G:llä… Suomalaiseen suuhun varmasti taipuu parhaiten sana kobotti. Yhteistoiminnalliset robotit (collaborative robots) eli kobotit ovat laitteita, jotka työskentelevät ihmisen kanssa joko suorassa kontaktissa tai turvallisesti hyvin lähellä ihmistä. Kobotit on anturoitu niin, että jos niiden liikeradalle sattuu este, kuten ihminen, se pysäyttää kobotin kaiken liikkeen, jotta ihmiselle tai ympäristölle ei aiheudu vaaraa. Suurimpana erona perinteiseen teollisuusrobotiikkaan on, että ne eivät pääsääntöisesti tarvitse ympärilleen turva-aitoja. [1.] Toinen merkittävä uusi tuuli kobotiikan lisäksi robottirintamalla ovat ns. autonomiset robotit. UGV (unmanned ground vehicle) ja UAV (unmanned aerial vehicle) ovat maalla ja ilmassa ilman kuljettajaa eteneviä robottiajoneuvoja. UAV-aluksista käytetään yleisesti nimitystä drone drooni. Navigointimenetelmien, laskenta-algoritmien ja erilaiset havaintolaitteiden nopea kehitys on mahdollistanut erilaisten autonomisten robottiajoneuvojen kehitystyön ja käytön. Autojen ja droonien lisäksi kehitetään muun muassa autonomisia laivoja, kaivoskoneita ja kuljetuslaitteita. [2.] Perinteisen teollisuusrobotiikan vuosikasvu on tällä hetkellä noin 10 %. Kobotiikan vuosikasvuksi on ennustettu peräti 40−50 %, 2018 markkina oli 065 miljardia dollaria (US) ja vuonna 2026 ennustus on 12,48 miljardia. UGV-laitteiden markkinan ennustetaan kasvavan 18,7 miljardista 54,1 miljardiin dollariin (US) vuosina 2019−2026 vuosikasvun ollessa ~25 %. Tästä kehityksestä Suomella ei ole varaa jäädä pois, sillä nämä robotiikan kehittyvät alueet tarjoavat merkittäviä mahdollisuuksia teknologian kehittäjille ja hyödyntäjille. [4; 5.] Kuva 2 Autonomisten UGV-robottien markkinan kehitys 2018−2023 [5]. Case Dimalog − Kobotti hyppäsi kyytiin Yhtenä Roboreel-hankkeen pilottikohteena toimi case Dimalog. Dimalog on Helsingissä toimiva kolmen hengen yritys, joka on erikoistunut UGV-teknologiaan. Yhteistyörobotin ja mobiilirobotin yhdistelmää kutsutaan mobiilikobotiksi tai mobiilimanipulaattoriksi. Konenäöllä varustettu mobiilikobotti avaa työtehtävien automatisoinnille aivan uusia mahdollisuuksia. Mobiilikobotti pystyy siirtymään itsenäisesti työpisteeltä toiselle, vaihtamaan työtehtävää ja esimerkiksi samalla kuljettamaan tavaraa työpisteiden välillä. [6.] Keväällä 2019 tällaisia ei ollut vielä tarjolla. Yritykselle tehtiin pilottiprojekti, jossa Omron-kobotti kiinnitettiin Omronin UGV-laitteen päälle. Metropolian koneautomaation opiskelijat Aleksi Kontturi, Juho Korhonen, Janne Lanu, Timi Puustinen tekivät tämän automatisointiprojektina. Ohjaajana ja kädet savessa mukana toimi Pilottimies-Antti. Aluksi tutkittiin muita samankaltaisia projekteja. Päädyttiin tekemään rakenne alumiiniprofiilista sen helpon muokattavuuden ja jäykän rakenteen takia. 3D-mallinnus tehtiin Catia-järjestelmällä ja simulaatiomalli Siemens NX:llä. Mobiilirobotin ja kobotin välinen kommunikointi toteutettiin digitaalisten tulo- ja lähtöliityntöjen avulla. Tehtävänä oli yhdistää Omronin valmistamat Adept LD-60 -mobiilirobotti ja TM12M- robottikäsi niin fyysisesti kuin ohjelmallisestikin. Projektissa mobiilirobotti kuljettaa kobotin työpisteelle, jossa se alkaa suorittamaan annettua työtehtävää. Tehtävän suoritettuaan kobotti lähettää tiedon mobiilirobotille, joka lähtee ajamaan kohti seuraavaa työpistettä. Ohjelmoinnissa ja liittämisessä onnistuttiin, ja Dimalogin asettamat tavoitteet saavutettiin. Suurin haaste projektissa olivat aikataulut, mikä toisaalta on oppilasprojektien tarkoituskin: oppia toimimaan oikean yritysasiakkaan kanssa. Kobotin ja UGV:n littäminen siis onnistui, ja molemmille saatiin tehtyä mallisovellukset. Tällainen konsepti saatiin todennettua toimivaksi. Toisaalta nyt käytetty kobotti oli ehkä liian suuri ko. UGV:lle, jonka vuoksi laitteistolla oli suuri kaatumismahdollisuus. Laitteiden välinen kommunikointi toteutettiin DIDO-pohjaisesti (digitaalisilla tuloilla ja lähdöillä) eikä tähän väliin ollut vielä olemassa valmista rajapintaa. Jos halutaan, että UGV:n kyytiin oheislaitteita, tulisi kehittää niiden liityntämahdollisuuksia sekä mekaanisesti että ohjelmistomielessä. Kuva 3 Projektin 3D-suunnitelmia. Kuva 4 Valmis prototyyppi. Projektia suunniteltiin jatkettavan, mutta syksyllä Omron julkaisi tuotteen, jossa tällainen ratkaisu on saatavilla ns. hyllystä. Myös muut valmistajat, kuten KUKA Robotics, ovat tehneet samanlaisia tuotteita. Eli tässäkin mielessä projektissa oltiin oikeilla jäljillä ja nähtiin tällaisten demotyylisten pilotointien tarpeellisuus, jossa uutta teknologiaa voidaan rohkeasti kokeilla ja nähdä sen hyötyjä ja mahdollisia esteitä/haittoja. Jatkossa olisi mielenkiintoista tutkia eri valmistajien tuotteiden liittämistä keskenään sekä koneturvallisuutta tällaisiin ratkaisuihin liittyen. Myös todelliset teolliset hyödyt olisi järkevää selvittää. Video 1 Video testiajoista: Video 2 Syksyllä 2019 julkaistun tuotteen promovideo: Lähteet [1] Pöysti, Camilla. 2020, Lopputyö, Saatavana osoitteessa: <http://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2020060116034>. Luettu 10.2.2021 [2] Metropolia AMK, Digi-Salama. 2021, Verkkosivusto, Saatavana osoitteessa: <https://digisalama.metropolia.fi/teknologiat/>. Luettu 15.2.2021 [3] Omron Oy, Yritysesittely, Verkkosivusto, Saatavana osoitteessa: <https://omron.fi/>. Luettu 11.5.2021 [4] Allied Market Research, Markkinatutkimus, 2020, Verkkosivusto, Saatavana osoitteessa: <https://www.alliedmarketresearch.com/industrial-cobot-market-A06074>. Luettu 30.11.2020 [5] Markets and Markets, Markkinatutkimus, 2020, Verkkosivusto, Saatavana osoitteessa: <https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/mobile-robots-market-43703276.html>. Luettu 30.11.2020 [6] Dimalog Oy, Yritysesittely, Verkkosivusto, Saatavana osoitteessa: <https://www.dimalog.com/>.Luettu 11.10.2021 Kirjoittaja: Antti Liljaniemi työskentelee kone- ja autotekniikan lehtorina Metropolia Ammattikorkeakoulussa. antti.liljaniemi@metropolia.fi +358 400 240 756 Metropolia University of Applied Sciences Finland